KR102669193B1 - 광학 필터 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 신뢰성이 높은 광학 필터 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 광학 필터 시스템은 패브리 페로 간섭 필터(1)와, 패브리 페로 간섭 필터를 제어하는 컨트롤러(51)를 구비한다. 패브리 페로 간섭 필터(1)는 제1 미러부(31)와, 제2 미러부(32)와, 제1 미러부(31)에 마련된 제1 구동 전극(12) 및 제1 모니터 전극(13)과, 제2 미러부(32)에 마련된 제2 구동 전극(14) 및 제2 모니터 전극(15)을 구비한다. 컨트롤러(51)는 제1 모니터 전극(13)과 제2 모니터 전극(15)의 사이에 교류 전류가 인가되고 있을 때 제1 모니터 전극(13)과 제2 모니터 전극(15)의 사이에 발생하는 교류 전압에 기초하여 제1 미러부(31)와 제2 미러부(32) 사이의 정전 용량을 산출하는 제어부(55)를 구비한다.
Description
본 개시는 패브리 페로 간섭 필터를 구비하는 광학 필터 시스템에 관한 것이다.
종래, 공극을 통해서 서로 마주 보도록 배치되어, 서로 사이의 거리가 정전기력에 의해 조정되는 한 쌍의 미러부를 구비하는 패브리 페로 간섭 필터가 알려져 있다(예를 들면 특허 문헌 1 참조).
상술한 것 같은 패브리 페로 간섭 필터에서는, 일반적으로, 인가 전압의 제어에 의해 한 쌍의 미러부 사이의 거리가 조정된다. 그러나, 그 경우, 「인입(引入)(Pull－in)」현상이 생길 우려가 있다. 인입 현상에서는, 미러부가 서로 인력을 미쳐, 미러부끼리가 기계적으로 강고하게 접촉함으로써 패브리 페로 간섭 필터에 결함이 야기될 우려가 있다. 이것에 대해, 미러부 사이에 축적되는 전하량에 기초하는 제어를 채용하여 인입 현상을 회피하는 것을 생각할 수 있지만, 신뢰성의 관점으로부터 한층 더 개선이 요구된다.
본 개시의 일 측면은 신뢰성이 높은 광학 필터 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시의 일 측면에 따른 광학 필터 시스템은, 패브리 페로 간섭 필터와, 패브리 페로 간섭 필터를 제어하는 컨트롤러를 구비하고, 패브리 페로 간섭 필터는 제1 미러부와, 공극을 통해서 제1 미러부와 서로 마주 보도록 배치되고, 광 투과 영역에 있어서의 제1 미러부와의 사이의 거리가 정전기력에 의해 조정되는 제2 미러부와, 제1 미러부와 제2 미러부가 서로 마주 보는 방향에서 보았을 경우에, 광 투과 영역을 둘러싸도록 제1 미러부에 마련된 제1 구동 전극과, 제1 구동 전극과 서로 마주 보도록 제2 미러부에 마련된 제2 구동 전극과, 상기 방향에서 보았을 경우에 적어도 일부가 광 투과 영역과 겹치도록 제1 미러부에 마련되고, 제1 구동 전극으로부터 전기적으로 절연된 제1 모니터 전극과, 제1 모니터 전극과 서로 마주 보도록 제2 미러부에 마련되고, 제2 구동 전극으로부터 전기적으로 절연된 제2 모니터 전극을 구비하고, 컨트롤러는 제1 구동 전극과 제2 구동 전극의 사이에 구동 전류를 인가함으로써 정전기력을 발생시키는 제1 전류원과, 제1 미러부 및 제2 미러부의 공진 주파수보다도 높은 주파수를 가지는 교류 전류를 제1 모니터 전극과 제2 모니터 전극의 사이에 인가하는 제2 전류원과, 교류 전류의 인가 중에 제1 모니터 전극과 제2 모니터 전극의 사이에 발생하는 교류 전압을 검출하는 검출부와, 제1 미러부와 제2 미러부의 사이에 축적되는 전하량에 기초하여 제1 전류원을 제어함과 아울러, 검출부의 검출 결과에 기초하여 제1 미러부와 제2 미러부 사이 정전 용량을 산출하는 제어부를 구비한다.
이 광학 필터 시스템에서는, 패브리 페로 간섭 필터가, 제1 구동 전극 및 제2 구동 전극에 더하여, 제1 모니터 전극 및 제2 모니터 전극을 구비하고 있다. 그리고, 제1 미러부 및 제2 미러부의 공진 주파수보다도 높은 주파수를 가지는 교류 전류가 제1 모니터 전극과 제2 모니터 전극의 사이에 인가되고 있을 때 제1 모니터 전극과 제2 모니터 전극의 사이에 발생하는 교류 전압에 기초하여, 제1 미러부와 제2 미러부 사이 정전 용량이 산출된다. 이것에 의해, 해당 정전 용량에 기초하여 미러부 사이의 거리를 산출할 수 있어, 패브리 페로 간섭 필터의 동작 중에 미러부 사이의 실제 거리를 모니터할 수 있다. 또한, 제1 모니터 전극은 제1 미러부와 제2 미러부가 서로 마주 보는 방향에서 보았을 경우에 적어도 일부가 광 투과 영역과 겹치도록 제1 미러부에 마련되고, 제1 구동 전극으로부터 전기적으로 절연되어 있고, 제2 모니터 전극은 제1 모니터 전극과 서로 마주 보도록 제2 미러부에 마련되고, 제2 구동 전극으로부터 전기적으로 절연되어 있다. 이것에 의해, 제1 모니터 전극 및 제2 모니터 전극을 제1 구동 전극 및 제2 구동 전극으로부터 독립시킬 수 있다. 그 결과, 미러부 사이의 정전 용량을 보다 적합하게 산출할 수 있고, 나아가서는 미러부 사이의 거리를 보다 적합하게 모니터할 수 있다. 따라서, 이 광학 필터 시스템에 의하면, 신뢰성을 높일 수 있다.
본 개시의 일 측면에 따른 광학 필터 시스템에서는, 제1 구동 전극은 공극에 노출되어 있어도 된다. 이 경우, 제1 구동 전극을 제2 구동 전극에 근접시킬 수 있어, 미러부 사이에 정전기력을 적합하게 발생시킬 수 있다.
본 개시의 일 측면에 따른 광학 필터 시스템에서는, 제2 구동 전극은 제2 미러부의 공극과는 반대측의 표면에 배치되어 있어도 된다. 이 경우, 제2 구동 전극의 형성 공정을 용이화할 수 있다.
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본 개시의 일 측면에 따른 광학 필터 시스템에서는, 제1 모니터 전극은 공극에 노출되어 있어도 된다. 이 경우, 제1 모니터 전극을 제2 모니터 전극에 근접시킬 수 있어, 미러부 사이의 거리를 보다 한층 적합하게 모니터할 수 있다.
본 개시의 일 측면에 따른 광학 필터 시스템에서는, 제2 모니터 전극은 공극에 노출되어 있어도 된다. 이 경우, 제2 모니터 전극을 제1 모니터 전극에 근접시킬 수 있어, 미러부 사이의 거리를 보다 한층 적합하게 모니터할 수 있다.
본 개시의 일 측면에 따른 광학 필터 시스템에서는, 제2 모니터 전극은 제2 미러부의 공극과는 반대측의 표면에 배치되어 있어도 된다. 이 경우, 제2 모니터 전극의 형성 공정을 용이화할 수 있다.
본 개시의 일 측면에 따른 광학 필터 시스템에서는, 제2 구동 전극과 제2 모니터 전극은, 상기 방향에 있어서 서로 이격되어 있어도 된다. 이 경우, 제2 구동 전극과 제2 모니터 전극 사이의 전기적인 절연성을 향상시킬 수 있다.
본 개시의 일 측면에 의하면, 신뢰성이 높은 광학 필터 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시 형태에 따른 광학 필터 시스템이 구비하는 패브리 페로 간섭 필터의 평면도이다. .
도 2는 도 1의 II－II선을 따른 패브리 페로 간섭 필터의 단면도이다.
도 3은 도 1의 III－III선을 따른 패브리 페로 간섭 필터의 단면도이다.
도 4는 제1 구동 전극 및 제1 모니터 전극이 형성된 폴리 실리콘층을 모식적으로 나타내는 평면도이다.
도 5는 광학 필터 시스템의 구성도이다.
도 6의 (a) 및 도 6의 (b)는, 제1 변형예에 따른 패브리 페로 간섭 필터의 단면도이다.
도 7의 (a) 및 도 7의 (b)는, 제2 변형예에 따른 패브리 페로 간섭 필터의 단면도이다.
도 8의 (a) 및 도 8의 (b)는, 제3 변형예에 따른 패브리 페로 간섭 필터의 단면도이다.
도 9의 (a) 및 도 9의 (b)는, 제4 변형예에 따른 패브리 페로 간섭 필터의 단면도이다.
도 10의 (a) 및 도 10의 (b)는, 제5 변형예에 따른 패브리 페로 간섭 필터의 단면도이다.
도 11은 미소 기계 가공 MEMS/MOEMS 평행 극판 콘덴서의 간략도이다. 설명을 간단하게 하기 위해서, 한쪽 극판(103)이 극판과 수직 방향으로 움직이고(자유도(104)), 그것에 의해서 극판(103, 105) 사이의 간격 d를 바꿀 수 있다. 가동 극판(103)은 스프링 상수 D에 의해서 특징지어진 스프링(102)에 의해서 적소(適所)에 유지된다. 스프링(102)은 제2 콘덴서 극판(105)과 마찬가지로, 기계적 고정구(101)에 장착된다. 극판 사이에 어떤 외력을 가하는 일이 없으면, 극판 사이의 간격은 기계 제로력 간격 dM과 같다(여기에서는 중력의 영향을 무시함).
도 12는 도 11과 같은 시스템의 개략도이다. 간격 d를 바꾸려면, 현 기술에서는, 제어 전압 V를 콘덴서의 전극선(106)에 인가하여, 극판 사이의 간격을 스프링(102)의 신장에 의해서 변화시킨다. 도 11 및 도 12는, 후술하는 식 6 및 식 7에 의해서 기술(記述)된 상황을 나타낸다.
도 13은 제어 전압 V와 생기는 간격 d 사이의 전형적인 곡선의 예의 그래프이다. 계산은 다음 파라미터, 즉, 면적 A=3.85×10－7m2, 및 스프링 상수 D=2.35×103N/m를 이용하여 행해졌다. 낮은 전압에서는, 간격은 서서히 감소하고 있다. 큰 전압에서는, 간격은, 후술하는 식 10이 주는 간격으로 「인입」 현상이 일어날 때까지, 점차 빠르게 변화하고 있다(설명에 대해서는 이하의 문단 및 다음 도면을 참조).
도 14는 도 13과 같은 파라미터를 이용한 예의 그래프이다. 시스템의 거동 및 시스템으로의 영향은, 전압에 의한 제어를 전하량에 의한 제어로 치환하면 극적으로 바뀐다. 시스템의 제어가 전하량에 의해서 행해지는 경우, 훨씬 넓은 간격 범위에 어떤「인입」 현상도 없게 대처할 수 있다. 도 11 및 도 12에 개략적으로 나타내진 시스템에서는, 간격 d는 축적된 전하의 제곱인 Q2에 대해서 직선적으로 변화하고 있다. 도 14는 도 11 및 도 12에 의해서 특징지어진 시스템에 있어서, 어느 전하량 Q가 어느 간격 d를 가져오는지를 나타낸다. 이 관계 d(Q)에는 애매성이 전혀 없고, 따라서 이 함수는, 후술하는 식 8에 의해서 행해진 것처럼, Q(d)를 주도록 용이하게 변환할 수 있다.
도 15는 「생기는 전압」에 대한 간격 d를 나타내는 그래프이다. 그래프는 다음과 같이 하여 이해되지 않으면 안 된다. 즉, MEMS/MOEMS 콘덴서 극판이, 전하 Q(d)에 의해서 생성된 힘을 받아 새로운 평형 간격 d까지 이동한 후에, 이 전하 Q(d)는, 후술하는 식 9가 주는 전압 V(d)를 생성한다. 이하의 것을 간파할 수 있는 것은 흥미롭다. 1. 전압 V(d)는 간격 d의 함수로서 최대치 Vmax를 나타내고, 2. 전압이 최대 전압 Vmax 미만에 머무르는 한, 1개의 주어진 전압 V에 대해서 간격 d의 복수의 안정해(安定解)가 있다. 전압 V가 Vmax를 초과하는 경우에는, 더 이상 d의 안정해는 없다. 이 상황은, 전압의 함수로서 d의 조건을 기술하는 후술하는 식 6이 3차의 식이고, 파라미터 V에 따라서, 0개, 1개, 2개, 또는 3개의 해가 있는 것에 기인한다. 적어도 이 도면은, 도 14의 전하량과는 달리, 전압이 이 시스템을 위해 적합한 제어 파라미터는 아닌 것을 나타낸다. 그 이유는 1개의 전압 V＜Vmax에 대해 복수의 안정된 간격 d가 있고, Vmax를 향해(후술하는 식 10이 주는 간격 각각에 있어서) 구배 ∂d/∂V가 무한대로 발산하고 있고, 또 Vmax 보다도 위에서는, 안정된 간격치가 갑자기 더 이상 없어지고, 이것에 의해, 제어 전압이 Vmax를 초과하면 시스템이 부정(不定) 상태인 채로 되기 때문이다.
도 16은 용량성 구조체 및 적어도 1개의 스프링 장착 가동 전극을 가지는 MEMS/MOEMS 시스템의 콘덴서에 제어 파라미터로서 인가된 전하량 Q에 대해서, 생기는 전압 V를 나타내는 그래프이다. 생기는 전압은 값이 Vmax인 최대치(203)를 가지는 것에 유의한다. 제2 개시는 Q에 대해서 생기는 V 중 적어도 이러한 1개의 최대치를 가지는, 모든 MEMS/MOEMS 액추에이터 콘덴서 시스템에 관한 것이다. 곡선의 가지부(枝部, 201)에 있어서의 동작은, 전압 제어에 의해서 적절하게 제어할 수 있다. 가지부(202)에 있어서의 동작점은, 다음 도면의 설명에서 설명하는 이유 때문에, 전압 제어에 의해서 대처할 수 없다. 그러나, 가지부(202)에 있어서의 동작점은, 적합한 제어로서 전하량을 사용함으로써 설정할 수 있다.
도 17은 도 14와 도 16을 합한, 전압 제어를 사용하는 표준적인 동작을 나타내는 그래프이다. 제어 전압(205)이 「생기는 전압 V(Q)」가 낮은 동작점 204에 도달하도록 인가되는 경우, 이 전압차는 전류를 가져오고, 이 전류는 제어 전압(205)과 생기는 전압(206)이 같아질 때까지, 생기는 전압을 증가시킨다. Q에 대한 곡선 V의 가지부(201)의 동작점만이, 이렇게 하여 액세스 가능하다.
도 18은 도 14와 도 16을 합한, 액추에이터의 전압 제어를 사용할 때 「인입」 현상이 생기는 상황을 나타내는 그래프이다. 제어 전압 레벨(205)이 최대의 생기는 전압 Vmax(203)를 초과하는 경우, 이 전압차는 전하량 Q를 증가시키는 전류를 가져온다. 증가하는 전하 Q와 마찬가지로, 생기는 전압은 액추에이터의 정전 용량의 급속한 증가에 의해 강하하고, 전류도 또한 증가하여, 생기는 전압 V(Q)는 더 강하된다. 이것은, 간격이 제로가 되는 폭주 현상을 초래한다.
도 19는 도 14와 도 16을 합한, 액추에이터 콘덴서를 리셋하는 것에 관련된 상황을 나타내는 그래프이다. 액추에이터는 전하 제어의 방법에 의해서 곡선 V(Q)의 가지부(202) 상의 동작점 204으로 움직이고 있고, 그것에 따라서, 전하량 Q로 충전되고, 다음에, 전극(106)이 전류원으로부터 분리되게 된다. 액추에이터를 특정한 전압 레벨로 리셋하기 위해서, 동작점 204에서 생기는 전압 V(Q) 보다도 낮은 제어 전압(205)이 인가된다. 그 전압차에 의해, 생기는 전류는 액추에이터 콘덴서에 있어서의 전하 Q를 감소시킨다. 동작점은 점 203에 대한 204로부터, 제어 리셋 전압 Vo가 액추에이터 콘덴서의 생기는 전압 V(Q)와 같아지는 최종점 206까지 움직인다. 이 과정에 있어서, 시스템이 동작점 204에서 203으로 이동할 때, 전압차가 증가하는 것에 유의한다. 이 리셋 중, 전압차의 부호는 같은 그대로이다. 리셋 점 206은 곡선 V(Q)의 가지부(201) 상에 없으면 안 된다. 결론적으로, 리셋 전압(205)이 리셋되어야 할 동작점에서 생기는 전압 V(Q) 보다도 작은 한, 전압 제어 리셋에 의해서 동작점 204를 리셋하는 것은 가능하다.
도 20은 도 14와 도 16을 합한, 액추에이터 콘덴서를 리셋하는 것에 관련된 상황을 나타내는 도면이다. 리셋 전압 레벨(205)이 리셋되어야 할 곡선 Q(V)의 가지부(202) 상의 동작점 204에서 생기는 전압 V(Q) 보다도 큰 경우, 그 전압차의 부호에 의해, 전하 Q를 증가시키는 전류의 흐름이 생긴다. 이어서, 생기는 전압이 감소하고, 폭주 「인입」 현상이 개시한다. 결론적으로, 가지부(202) 상의 동작점에서는, 액추에이터 콘덴서의 실제 생기는 전압 V(Q) 보다도 높은 어느 제어 전압에서도 「인입」 현상을 일으킨다. 리셋 과정은 리셋 전의 조건 Vreset＜V(Q) 하에서만 가능하게 된다.
도 21은 간단하지만 실시 가능한 「전하 제어」회로를 나타내는 도면이다. 좌측의 콘덴서 「A」(110)는 극판(103, 105) 사이의 간격 d가 가변인 MEMS/MOEMS 액추에이터 콘덴서이다. 스위치 「S1」(112)이 절단되어 있는 한, 훨씬 작은 정전 용량 CB를 가지는 제2 콘덴서 「B」(111)는, 스위치 「S2」(113)를 닫음으로써, 도 15의 최대 전압보다도 높은 전압 VB(114)로 충전할 수 있다. 이 시간 중(「스위치 「S1」(112)을 닫기 전」), 콘덴서 「A」의 전압(115)이 측정된다. 다음에, 콘덴서 「B」(111)가 전압원 VB(114)로부터 스위치 「S2」(113)에 의해서 분리되고, 콘덴서 「A」(110)와 콘덴서 「B」(111)가 스위치 「S1」(112)에 의해서 접속된다. 콘덴서 「A」(110) 및 콘덴서 「B」(111)(또는, 스위치 「S1」(112)을 다시 절단한 후에는 콘덴서 「A」만)에서 생기는 전압 V가 측정된다(「스위치 「S1」(112)을 연 후에」). 총 전하량(각각 이전된 전하량)은, 이미 알고 있는 정전 용량 CB와, 전압 VB와, 콘덴서 「B」를 접속하기 전의 콘덴서 양단간 전압 V로부터 계산할 수 있다. 따라서, 총 전하 Q 및 생기는 전압 V를 알고 있으면, MEMS/MOEMS 액추에이터의 실제의 정전 용량 C를 산출하는 것, 및 (실효 면적 A를 알고 있음으로써) 극판 사이의 간격 d도 산출하는 것이 가능하게 된다. 즉, 총 Q를 제어하여, 생기는 V를 측정함으로써, 「정적」용량 측정에 의해 실제의 간격 d를 산출하는 것이 가능하다.
도 22는 제2 개시에 의한 정전 액추에이터 제어 시스템의 개략도이다.
도 23은 평행 극판 정전 액추에이터의 전형적인 거동을 나타내는 그래프이며, 액추에이터 양단간의 전압이, 액추에이터 전극에 퇴적된 총 전하의 함수로서 나타내져 있다.
도 24는 평행 극판 정전 액추에이터의 실효 정전 용량의 전형적인 거동을 나타내고, 총 전하 Q의 함수로서의 전압 V의 1차 도함수 dQ/dV가 나타내져 있는 그래프이다.
도 25는 정전 액추에이터를 통과하는 쌍방향 전류 I의 흐름을 제어 전압 V에 의해서 설정할 수 있는 바이폴러 전류원의 일례를 나타내는 도면이다. 이 회로는 하우랜드 전류 펌프로서 알려져 있다.
도 26은 정전 액추에이터를 통과하는 쌍방향 전류 I의 흐름을 제어 전압 V에 의해서 설정할 수 있는 바이폴러 전류원의 다른 예를 나타내는 도면이다. 이 회로는 상호 컨덕턴스 증폭기로서 알려져 있다.
도 27은 도 22에 나타내진, 디지털 컨트롤러 시스템(μC)에 의해서 조작되는 정전 액추에이터 컨트롤러로 이루어지는, 정전 액추에이터용의 완전한 제어 시스템을 나타내는 도면이다.
도 28은 스위치의 수가 줄어 있는, 제2 개시에 의한 정전 액추에이터 제어 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 29는 HF 정전 용량 측정을 위한 소신호 AC 전류 주입원을 포함하는, 제2 개시에 의한 정전 액추에이터 제어 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 30은 적어도 1개의 가동 스프링 장착 전극을 구비한 MEMS/MOEMS 용량성 구조체의 간단한 모델로서의, 평행 극판 콘덴서가 간략화된 경우의 상황을 나타내는 그래프이다. 액추에이터는 제2 개시에 따라서 전하량을 제어함으로써 구동된다. 제어 전하량이 증가하면, 생기는 전압 V(Q)는 전극 간의 보다 작은 간격 d를 향해서 액추에이터의 용량이 급속히 증가함으로써, 최대치(203)를 나타낸다.
도 31은 제2 개시에 의한 정전 액추에이터 제어 시스템의 개략도를 나타낸다. 스위치(312)에 의해서 전환 가능한 전류원(311)은, 적어도 1개의 가동 전극을 구비한 액추에이터의 용량(310)에 접속된다. 생기는 전압은 스위치(314)에 의해서 접속 또는 절단할 수 있는 전압 측정 시스템(313)에 의해서 측정할 수 있다. 스위치(315)에 의해, 콘덴서(310)의 전하를 제로 레벨로 리셋하는 것이 가능해진다.
도 32는 실제의 콘덴서의 등가 회로를 고려하였을 때의 도 31의 정전 액추에이터 제어 시스템을 나타내는 도면이다. 분리 저항 Rleak(320), 등가 직렬 저항 ESR(321) 및 등가 직렬 인덕턴스 ESL(322)이 나타내져 있다.
도 33은 분리 저항 Rleak(320)는 무시하지 못하고, 등가 직렬 저항 ESR(321) 및 등가 직렬 인덕턴스 ESL(322)은 무시할 수 있다고 가정했을 때의, 도 32개의 정전 액추에이터 제어 시스템을 나타내는 도면이다.
도 34는 적어도 1개의 정밀 저항기(350)가, 그 저항기에 속하는 관련 스위치(351)와 함께 도입되어 있는 도 33의 정전 액추에이터 제어 시스템을 나타내는 도면이다. 그 관련 스위치(351)에 의해서 접속되었을 경우, 저항기(350)는 콘덴서(310) 및 그 분리 저항 Rleak(320)와 병렬로 전기적으로 접속된다.
도 35는 액추에이터 유닛(370)의 콘덴서(310)를 그 분리 저항 Rleak(320)와 함께 정전 액추에이터 컨트롤러(360)로부터 접속 또는 절단할 수 있도록 하는, 1개의 추가 스위치(318)가 도입되어 있는 도 34의 정전 액추에이터 제어 시스템을 나타내는 도면이다. 예를 들면, 스위치(318)를 열고, 스위치(351, 312 및 314)를 닫으면, 전류원(311)으로부터의 전류의 전압 강하를 전압 측정 시스템(313)에 의해서 측정 및 교정할 수 있다.
도 36은 스위치(317)에 의해서 접속 또는 절단할 수 있는 AC 변조 전류원(316)이 도입되어 있는 도 35의 정전 액추에이터 제어 시스템을 나타내는 도면이다. 변조 전류의 주파수는 제어 전하 Qc에 의해서 규정되는 동작점에 있어서의 액추에이터의 진동 주파수보다도 훨씬 높다. 생기는 AC 변조 전압의 진폭 및 위상을 검출할 수 있는 HFAC 변조 전류원 및 전압 측정 시스템(313)은, 특히 액추에이터 유닛(310)의 정전 용량을 산출할 수 있도록 하는 임피던스 측정 유닛(380)을 형성한다. 유닛(380)은 제어 전하 Qc에 의해서 규정되는 동작점을 일정하게 유지하는 폐(閉)피드백 루프의 입력인 검지치를 송출한다.
도 2는 도 1의 II－II선을 따른 패브리 페로 간섭 필터의 단면도이다.
도 3은 도 1의 III－III선을 따른 패브리 페로 간섭 필터의 단면도이다.
도 4는 제1 구동 전극 및 제1 모니터 전극이 형성된 폴리 실리콘층을 모식적으로 나타내는 평면도이다.
도 5는 광학 필터 시스템의 구성도이다.
도 6의 (a) 및 도 6의 (b)는, 제1 변형예에 따른 패브리 페로 간섭 필터의 단면도이다.
도 7의 (a) 및 도 7의 (b)는, 제2 변형예에 따른 패브리 페로 간섭 필터의 단면도이다.
도 8의 (a) 및 도 8의 (b)는, 제3 변형예에 따른 패브리 페로 간섭 필터의 단면도이다.
도 9의 (a) 및 도 9의 (b)는, 제4 변형예에 따른 패브리 페로 간섭 필터의 단면도이다.
도 10의 (a) 및 도 10의 (b)는, 제5 변형예에 따른 패브리 페로 간섭 필터의 단면도이다.
도 11은 미소 기계 가공 MEMS/MOEMS 평행 극판 콘덴서의 간략도이다. 설명을 간단하게 하기 위해서, 한쪽 극판(103)이 극판과 수직 방향으로 움직이고(자유도(104)), 그것에 의해서 극판(103, 105) 사이의 간격 d를 바꿀 수 있다. 가동 극판(103)은 스프링 상수 D에 의해서 특징지어진 스프링(102)에 의해서 적소(適所)에 유지된다. 스프링(102)은 제2 콘덴서 극판(105)과 마찬가지로, 기계적 고정구(101)에 장착된다. 극판 사이에 어떤 외력을 가하는 일이 없으면, 극판 사이의 간격은 기계 제로력 간격 dM과 같다(여기에서는 중력의 영향을 무시함).
도 12는 도 11과 같은 시스템의 개략도이다. 간격 d를 바꾸려면, 현 기술에서는, 제어 전압 V를 콘덴서의 전극선(106)에 인가하여, 극판 사이의 간격을 스프링(102)의 신장에 의해서 변화시킨다. 도 11 및 도 12는, 후술하는 식 6 및 식 7에 의해서 기술(記述)된 상황을 나타낸다.
도 13은 제어 전압 V와 생기는 간격 d 사이의 전형적인 곡선의 예의 그래프이다. 계산은 다음 파라미터, 즉, 면적 A=3.85×10－7m2, 및 스프링 상수 D=2.35×103N/m를 이용하여 행해졌다. 낮은 전압에서는, 간격은 서서히 감소하고 있다. 큰 전압에서는, 간격은, 후술하는 식 10이 주는 간격으로 「인입」 현상이 일어날 때까지, 점차 빠르게 변화하고 있다(설명에 대해서는 이하의 문단 및 다음 도면을 참조).
도 14는 도 13과 같은 파라미터를 이용한 예의 그래프이다. 시스템의 거동 및 시스템으로의 영향은, 전압에 의한 제어를 전하량에 의한 제어로 치환하면 극적으로 바뀐다. 시스템의 제어가 전하량에 의해서 행해지는 경우, 훨씬 넓은 간격 범위에 어떤「인입」 현상도 없게 대처할 수 있다. 도 11 및 도 12에 개략적으로 나타내진 시스템에서는, 간격 d는 축적된 전하의 제곱인 Q2에 대해서 직선적으로 변화하고 있다. 도 14는 도 11 및 도 12에 의해서 특징지어진 시스템에 있어서, 어느 전하량 Q가 어느 간격 d를 가져오는지를 나타낸다. 이 관계 d(Q)에는 애매성이 전혀 없고, 따라서 이 함수는, 후술하는 식 8에 의해서 행해진 것처럼, Q(d)를 주도록 용이하게 변환할 수 있다.
도 15는 「생기는 전압」에 대한 간격 d를 나타내는 그래프이다. 그래프는 다음과 같이 하여 이해되지 않으면 안 된다. 즉, MEMS/MOEMS 콘덴서 극판이, 전하 Q(d)에 의해서 생성된 힘을 받아 새로운 평형 간격 d까지 이동한 후에, 이 전하 Q(d)는, 후술하는 식 9가 주는 전압 V(d)를 생성한다. 이하의 것을 간파할 수 있는 것은 흥미롭다. 1. 전압 V(d)는 간격 d의 함수로서 최대치 Vmax를 나타내고, 2. 전압이 최대 전압 Vmax 미만에 머무르는 한, 1개의 주어진 전압 V에 대해서 간격 d의 복수의 안정해(安定解)가 있다. 전압 V가 Vmax를 초과하는 경우에는, 더 이상 d의 안정해는 없다. 이 상황은, 전압의 함수로서 d의 조건을 기술하는 후술하는 식 6이 3차의 식이고, 파라미터 V에 따라서, 0개, 1개, 2개, 또는 3개의 해가 있는 것에 기인한다. 적어도 이 도면은, 도 14의 전하량과는 달리, 전압이 이 시스템을 위해 적합한 제어 파라미터는 아닌 것을 나타낸다. 그 이유는 1개의 전압 V＜Vmax에 대해 복수의 안정된 간격 d가 있고, Vmax를 향해(후술하는 식 10이 주는 간격 각각에 있어서) 구배 ∂d/∂V가 무한대로 발산하고 있고, 또 Vmax 보다도 위에서는, 안정된 간격치가 갑자기 더 이상 없어지고, 이것에 의해, 제어 전압이 Vmax를 초과하면 시스템이 부정(不定) 상태인 채로 되기 때문이다.
도 16은 용량성 구조체 및 적어도 1개의 스프링 장착 가동 전극을 가지는 MEMS/MOEMS 시스템의 콘덴서에 제어 파라미터로서 인가된 전하량 Q에 대해서, 생기는 전압 V를 나타내는 그래프이다. 생기는 전압은 값이 Vmax인 최대치(203)를 가지는 것에 유의한다. 제2 개시는 Q에 대해서 생기는 V 중 적어도 이러한 1개의 최대치를 가지는, 모든 MEMS/MOEMS 액추에이터 콘덴서 시스템에 관한 것이다. 곡선의 가지부(枝部, 201)에 있어서의 동작은, 전압 제어에 의해서 적절하게 제어할 수 있다. 가지부(202)에 있어서의 동작점은, 다음 도면의 설명에서 설명하는 이유 때문에, 전압 제어에 의해서 대처할 수 없다. 그러나, 가지부(202)에 있어서의 동작점은, 적합한 제어로서 전하량을 사용함으로써 설정할 수 있다.
도 17은 도 14와 도 16을 합한, 전압 제어를 사용하는 표준적인 동작을 나타내는 그래프이다. 제어 전압(205)이 「생기는 전압 V(Q)」가 낮은 동작점 204에 도달하도록 인가되는 경우, 이 전압차는 전류를 가져오고, 이 전류는 제어 전압(205)과 생기는 전압(206)이 같아질 때까지, 생기는 전압을 증가시킨다. Q에 대한 곡선 V의 가지부(201)의 동작점만이, 이렇게 하여 액세스 가능하다.
도 18은 도 14와 도 16을 합한, 액추에이터의 전압 제어를 사용할 때 「인입」 현상이 생기는 상황을 나타내는 그래프이다. 제어 전압 레벨(205)이 최대의 생기는 전압 Vmax(203)를 초과하는 경우, 이 전압차는 전하량 Q를 증가시키는 전류를 가져온다. 증가하는 전하 Q와 마찬가지로, 생기는 전압은 액추에이터의 정전 용량의 급속한 증가에 의해 강하하고, 전류도 또한 증가하여, 생기는 전압 V(Q)는 더 강하된다. 이것은, 간격이 제로가 되는 폭주 현상을 초래한다.
도 19는 도 14와 도 16을 합한, 액추에이터 콘덴서를 리셋하는 것에 관련된 상황을 나타내는 그래프이다. 액추에이터는 전하 제어의 방법에 의해서 곡선 V(Q)의 가지부(202) 상의 동작점 204으로 움직이고 있고, 그것에 따라서, 전하량 Q로 충전되고, 다음에, 전극(106)이 전류원으로부터 분리되게 된다. 액추에이터를 특정한 전압 레벨로 리셋하기 위해서, 동작점 204에서 생기는 전압 V(Q) 보다도 낮은 제어 전압(205)이 인가된다. 그 전압차에 의해, 생기는 전류는 액추에이터 콘덴서에 있어서의 전하 Q를 감소시킨다. 동작점은 점 203에 대한 204로부터, 제어 리셋 전압 Vo가 액추에이터 콘덴서의 생기는 전압 V(Q)와 같아지는 최종점 206까지 움직인다. 이 과정에 있어서, 시스템이 동작점 204에서 203으로 이동할 때, 전압차가 증가하는 것에 유의한다. 이 리셋 중, 전압차의 부호는 같은 그대로이다. 리셋 점 206은 곡선 V(Q)의 가지부(201) 상에 없으면 안 된다. 결론적으로, 리셋 전압(205)이 리셋되어야 할 동작점에서 생기는 전압 V(Q) 보다도 작은 한, 전압 제어 리셋에 의해서 동작점 204를 리셋하는 것은 가능하다.
도 20은 도 14와 도 16을 합한, 액추에이터 콘덴서를 리셋하는 것에 관련된 상황을 나타내는 도면이다. 리셋 전압 레벨(205)이 리셋되어야 할 곡선 Q(V)의 가지부(202) 상의 동작점 204에서 생기는 전압 V(Q) 보다도 큰 경우, 그 전압차의 부호에 의해, 전하 Q를 증가시키는 전류의 흐름이 생긴다. 이어서, 생기는 전압이 감소하고, 폭주 「인입」 현상이 개시한다. 결론적으로, 가지부(202) 상의 동작점에서는, 액추에이터 콘덴서의 실제 생기는 전압 V(Q) 보다도 높은 어느 제어 전압에서도 「인입」 현상을 일으킨다. 리셋 과정은 리셋 전의 조건 Vreset＜V(Q) 하에서만 가능하게 된다.
도 21은 간단하지만 실시 가능한 「전하 제어」회로를 나타내는 도면이다. 좌측의 콘덴서 「A」(110)는 극판(103, 105) 사이의 간격 d가 가변인 MEMS/MOEMS 액추에이터 콘덴서이다. 스위치 「S1」(112)이 절단되어 있는 한, 훨씬 작은 정전 용량 CB를 가지는 제2 콘덴서 「B」(111)는, 스위치 「S2」(113)를 닫음으로써, 도 15의 최대 전압보다도 높은 전압 VB(114)로 충전할 수 있다. 이 시간 중(「스위치 「S1」(112)을 닫기 전」), 콘덴서 「A」의 전압(115)이 측정된다. 다음에, 콘덴서 「B」(111)가 전압원 VB(114)로부터 스위치 「S2」(113)에 의해서 분리되고, 콘덴서 「A」(110)와 콘덴서 「B」(111)가 스위치 「S1」(112)에 의해서 접속된다. 콘덴서 「A」(110) 및 콘덴서 「B」(111)(또는, 스위치 「S1」(112)을 다시 절단한 후에는 콘덴서 「A」만)에서 생기는 전압 V가 측정된다(「스위치 「S1」(112)을 연 후에」). 총 전하량(각각 이전된 전하량)은, 이미 알고 있는 정전 용량 CB와, 전압 VB와, 콘덴서 「B」를 접속하기 전의 콘덴서 양단간 전압 V로부터 계산할 수 있다. 따라서, 총 전하 Q 및 생기는 전압 V를 알고 있으면, MEMS/MOEMS 액추에이터의 실제의 정전 용량 C를 산출하는 것, 및 (실효 면적 A를 알고 있음으로써) 극판 사이의 간격 d도 산출하는 것이 가능하게 된다. 즉, 총 Q를 제어하여, 생기는 V를 측정함으로써, 「정적」용량 측정에 의해 실제의 간격 d를 산출하는 것이 가능하다.
도 22는 제2 개시에 의한 정전 액추에이터 제어 시스템의 개략도이다.
도 23은 평행 극판 정전 액추에이터의 전형적인 거동을 나타내는 그래프이며, 액추에이터 양단간의 전압이, 액추에이터 전극에 퇴적된 총 전하의 함수로서 나타내져 있다.
도 24는 평행 극판 정전 액추에이터의 실효 정전 용량의 전형적인 거동을 나타내고, 총 전하 Q의 함수로서의 전압 V의 1차 도함수 dQ/dV가 나타내져 있는 그래프이다.
도 25는 정전 액추에이터를 통과하는 쌍방향 전류 I의 흐름을 제어 전압 V에 의해서 설정할 수 있는 바이폴러 전류원의 일례를 나타내는 도면이다. 이 회로는 하우랜드 전류 펌프로서 알려져 있다.
도 26은 정전 액추에이터를 통과하는 쌍방향 전류 I의 흐름을 제어 전압 V에 의해서 설정할 수 있는 바이폴러 전류원의 다른 예를 나타내는 도면이다. 이 회로는 상호 컨덕턴스 증폭기로서 알려져 있다.
도 27은 도 22에 나타내진, 디지털 컨트롤러 시스템(μC)에 의해서 조작되는 정전 액추에이터 컨트롤러로 이루어지는, 정전 액추에이터용의 완전한 제어 시스템을 나타내는 도면이다.
도 28은 스위치의 수가 줄어 있는, 제2 개시에 의한 정전 액추에이터 제어 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 29는 HF 정전 용량 측정을 위한 소신호 AC 전류 주입원을 포함하는, 제2 개시에 의한 정전 액추에이터 제어 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 30은 적어도 1개의 가동 스프링 장착 전극을 구비한 MEMS/MOEMS 용량성 구조체의 간단한 모델로서의, 평행 극판 콘덴서가 간략화된 경우의 상황을 나타내는 그래프이다. 액추에이터는 제2 개시에 따라서 전하량을 제어함으로써 구동된다. 제어 전하량이 증가하면, 생기는 전압 V(Q)는 전극 간의 보다 작은 간격 d를 향해서 액추에이터의 용량이 급속히 증가함으로써, 최대치(203)를 나타낸다.
도 31은 제2 개시에 의한 정전 액추에이터 제어 시스템의 개략도를 나타낸다. 스위치(312)에 의해서 전환 가능한 전류원(311)은, 적어도 1개의 가동 전극을 구비한 액추에이터의 용량(310)에 접속된다. 생기는 전압은 스위치(314)에 의해서 접속 또는 절단할 수 있는 전압 측정 시스템(313)에 의해서 측정할 수 있다. 스위치(315)에 의해, 콘덴서(310)의 전하를 제로 레벨로 리셋하는 것이 가능해진다.
도 32는 실제의 콘덴서의 등가 회로를 고려하였을 때의 도 31의 정전 액추에이터 제어 시스템을 나타내는 도면이다. 분리 저항 Rleak(320), 등가 직렬 저항 ESR(321) 및 등가 직렬 인덕턴스 ESL(322)이 나타내져 있다.
도 33은 분리 저항 Rleak(320)는 무시하지 못하고, 등가 직렬 저항 ESR(321) 및 등가 직렬 인덕턴스 ESL(322)은 무시할 수 있다고 가정했을 때의, 도 32개의 정전 액추에이터 제어 시스템을 나타내는 도면이다.
도 34는 적어도 1개의 정밀 저항기(350)가, 그 저항기에 속하는 관련 스위치(351)와 함께 도입되어 있는 도 33의 정전 액추에이터 제어 시스템을 나타내는 도면이다. 그 관련 스위치(351)에 의해서 접속되었을 경우, 저항기(350)는 콘덴서(310) 및 그 분리 저항 Rleak(320)와 병렬로 전기적으로 접속된다.
도 35는 액추에이터 유닛(370)의 콘덴서(310)를 그 분리 저항 Rleak(320)와 함께 정전 액추에이터 컨트롤러(360)로부터 접속 또는 절단할 수 있도록 하는, 1개의 추가 스위치(318)가 도입되어 있는 도 34의 정전 액추에이터 제어 시스템을 나타내는 도면이다. 예를 들면, 스위치(318)를 열고, 스위치(351, 312 및 314)를 닫으면, 전류원(311)으로부터의 전류의 전압 강하를 전압 측정 시스템(313)에 의해서 측정 및 교정할 수 있다.
도 36은 스위치(317)에 의해서 접속 또는 절단할 수 있는 AC 변조 전류원(316)이 도입되어 있는 도 35의 정전 액추에이터 제어 시스템을 나타내는 도면이다. 변조 전류의 주파수는 제어 전하 Qc에 의해서 규정되는 동작점에 있어서의 액추에이터의 진동 주파수보다도 훨씬 높다. 생기는 AC 변조 전압의 진폭 및 위상을 검출할 수 있는 HFAC 변조 전류원 및 전압 측정 시스템(313)은, 특히 액추에이터 유닛(310)의 정전 용량을 산출할 수 있도록 하는 임피던스 측정 유닛(380)을 형성한다. 유닛(380)은 제어 전하 Qc에 의해서 규정되는 동작점을 일정하게 유지하는 폐(閉)피드백 루프의 입력인 검지치를 송출한다.
［제1 개시］
이하, 본 개시의 일 실시 형태에 대해서, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 덧붙여, 이하의 설명에 있어서, 동일 또는 상당 요소에는 동일 부호를 이용하여, 중복하는 설명을 생략한다.
［패브리 페로 간섭 필터의 구성］
도 1~도 3에 도시되는 것처럼, 패브리 페로 간섭 필터(1)는 기판(11)을 구비하고 있다. 기판(11)은 제1 표면(11a)과, 제1 표면(11a)과는 반대측인 제2 표면(11b)을 가지고 있다. 제1 표면(11a) 상에는 반사 방지층(21), 제1 적층체(22), 중간층(23) 및 제2 적층체(24)가, 이 순서로 적층되어 있다. 제1 적층체(22)와 제2 적층체(24)의 사이에는, 프레임 모양의 중간층(23)에 의해서 공극(에어 갭)(S)이 획정되어 있다.
제1 표면(11a)과 수직인 방향에서 보았을 경우(평면시(平面視))에 있어서의 각 부의 형상 및 위치 관계는, 다음과 같다. 기판(11)의 외연(外緣)은, 예를 들면 1변의 길이가 수백μm~수mm 정도의 사각 형상이다. 기판(11)의 외연 및 제2 적층체(24)의 외연은, 서로 일치하고 있다. 반사 방지층(21)의 외연, 제1 적층체(22)의 외연 및 중간층(23)의 외연은, 서로 일치하고 있다. 기판(11)은 중간층(23)의 외연보다도 공극 S의 중심에 대해 외측에 위치하는 외연부(11c)를 가지고 있다. 외연부(11c)는, 예를 들면, 프레임 모양이며, 제1 표면(11a)과 수직인 방향에서 보았을 경우에 중간층(23)을 둘러싸고 있다. 공극 S는, 예를 들면 원 형상이다.
패브리 페로 간섭 필터(1)는 그 중앙부에 획정된 광 투과 영역(1a)에 있어서, 소정의 파장을 가지는 광을 투과시킨다. 광 투과 영역(1a)은, 예를 들면 원주(圓柱) 모양의 영역이다. 기판(11)은, 예를 들면, 실리콘, 석영 또는 유리 등으로 이루어진다. 기판(11)이 실리콘으로 이루어지는 경우, 반사 방지층(21) 및 중간층(23)은, 예를 들면, 산화 실리콘으로 이루어진다. 중간층(23)의 두께는, 예를 들면, 수십nm~수십μm이다.
제1 적층체(22) 중 광 투과 영역(1a)에 대응하는 부분(평면시에 있어서 공극 S와 겹치는 부분)은, 제1 미러부(31)로서 기능한다. 제1 미러부(31)는 고정 미러이다. 제1 미러부(31)는 반사 방지층(21)을 통해서 제1 표면(11a) 상에 배치되어 있다. 제1 적층체(22)는 복수의 폴리 실리콘층(25)과 복수의 질화 실리콘층(26)이 한층씩 교호로 적층됨으로써 구성되어 있다. 패브리 페로 간섭 필터(1)에서는, 폴리 실리콘층(25a), 질화 실리콘층(26a), 폴리 실리콘층(25b), 질화 실리콘층(26b) 및 폴리 실리콘층(25c)이, 이 순서로 반사 방지층(21) 상에 적층되어 있다. 제1 미러부(31)를 구성하는 폴리 실리콘층(25) 및 질화 실리콘층(26)의 각각의 광학 두께는, 중심 투과 파장의 1/4의 정수배인 것이 바람직하다. 덧붙여, 제1 미러부(31)는 반사 방지층(21)을 매개로 하지 않고 제1 표면(11a) 상에 직접 배치되어도 된다.
제2 적층체(24) 중 광 투과 영역(1a)에 대응하는 부분(평면시에 있어서 공극 S와 겹치는 부분)은, 제2 미러부(32)로서 기능한다. 제2 미러부(32)는 가동 미러이다. 제2 미러부(32)는 제1 미러부(31)에 대해서 기판(11)과는 반대측에 있어서 공극 S를 통해서 제1 미러부(31)와 서로 마주보고 있다. 제1 미러부(31)와 제2 미러부(32)가 서로 마주 보는 방향은, 제1 표면(11a)과 수직인 방향에 평행이다. 제2 적층체(24)는 반사 방지층(21), 제1 적층체(22) 및 중간층(23)을 통해서 제1 표면(11a) 상에 배치되어 있다. 제2 적층체(24)는 복수의 폴리 실리콘층(27)과 복수의 질화 실리콘층(28)이 한층씩 교호로 적층됨으로써 구성되어 있다. 패브리 페로 간섭 필터(1)에서는 폴리 실리콘층(27a), 질화 실리콘층(28a), 폴리 실리콘층(27b), 질화 실리콘층(28b) 및 폴리 실리콘층(27c)이, 이 순서로 중간층(23) 상에 적층되어 있다. 제2 미러부(32)를 구성하는 폴리 실리콘층(27) 및 질화 실리콘층(28)의 각각의 광학 두께는, 중심 투과 파장의 1/4의 정수배인 것이 바람직하다.
덧붙여, 제1 적층체(22) 및 제2 적층체(24)에서는, 질화 실리콘층 대신에 산화 실리콘층이 이용되어도 된다. 제1 적층체(22) 및 제2 적층체(24)를 구성하는 각층의 재료로서는, 산화 티탄, 산화 탄탈, 산화 지르코늄, 플루오르화(Fluor化) 마그네슘, 산화 알류미늄, 플루오르화 칼슘, 실리콘, 게르마늄, 황화 아연 등이 이용되어도 된다.
제2 적층체(24)에 있어서 공극 S에 대응하는 부분(평면시에 있어서 공극 S와 겹치는 부분)에는, 복수의 관통공(도시 생략)이 형성되어 있다. 이들 관통공은, 제2 적층체(24)의 중간층(23)과는 반대측의 표면(24a)으로부터 공극 S에 도달해 있다. 이들 관통공은 제2 미러부(32)의 기능에 실질적으로 영향을 주지 않는 정도로 형성되어 있다. 이들 관통공은 에칭에 의해 중간층(23)의 일부를 제거하여 공극 S를 형성하기 위해서 이용되어도 된다.
제2 적층체(24)는 제2 미러부(32)에 더하여, 피복부(33)와, 주연(周緣)부(34)를 추가로 가지고 있다. 제2 미러부(32), 피복부(33) 및 주연부(34)는, 서로 같은 적층 구조의 일부를 가지고 또한 서로 연속하도록, 일체적으로 형성되어 있다. 피복부(33)는, 평면시에 있어서 제2 미러부(32)를 둘러싸고 있다. 피복부(33)는 중간층(23)의 기판(11)과는 반대측의 표면(23a) 및 측면(23b), 및 제1 적층체(22)의 측면(22a) 및 반사 방지층(21)의 측면(21a)을 피복하고 있고, 제1 표면(11a)에 도달해 있다.
주연부(34)는, 평면시에 있어서 피복부(33)를 둘러싸고 있다. 주연부(34)는 외연부(11c)에 있어서의 제1 표면(11a) 상에 위치하고 있다. 주연부(34)의 외연은, 평면시에 있어서 기판(11)의 외연과 일치하고 있다. 주연부(34)는 외연부(11c)의 외연을 따라서 박화(薄化)되어 있다. 즉, 주연부(34) 중 외연부(11c)의 외연을 따르는 부분은, 주연부(34) 중 외연을 따르는 부분을 제외한 다른 부분과 비교해서 얇아져 있다. 패브리 페로 간섭 필터(1)에서는, 주연부(34)는 제2 적층체(24)를 구성하는 폴리 실리콘층(27) 및 질화 실리콘층(28)의 일부가 제거되어 있음으로써 박화되어 있다. 주연부(34)는 피복부(33)에 연속하는 비박화부(34a)와, 비박화부(34a)를 둘러싸는 박화부(34b)를 가지고 있다. 박화부(34b)에 있어서는, 제1 표면(11a) 상에 직접 마련된 폴리 실리콘층(27a) 이외의 폴리 실리콘층(27) 및 질화 실리콘층(28)이 제거되어 있다.
도 2~도 4에 도시되는 것처럼, 제1 미러부(31)에는 제1 구동 전극(12) 및 제1 모니터 전극(13)이 마련되어 있다. 제1 구동 전극(12)은, 평면시에 있어서, 예를 들면 원환(圓環) 모양을 나타내고, 광 투과 영역(1a)을 둘러싸고 있다. 제1 구동 전극(12)은 제1 미러부(31)의 공극 S측의 표면(31a)에 배치되어 있고, 공극 S에 노출되어 있다. 제1 구동 전극(12)은, 예를 들면, 불순물을 도프하여 폴리 실리콘층(25c)을 저(低)저항화함으로써 형성되어 있다.
제1 모니터 전극(13)은, 평면시에 있어서 광 투과 영역(1a)과 겹쳐 있다. 본 실시 형태에서는, 제1 모니터 전극(13)이 평면시에 있어서 광 투과 영역(1a)과 완전하게 겹쳐 있지만(환언하면, 제1 모니터 전극(13) 및 광 투과 영역(1a)이 동일한 형상을 나타내고 있지만), 제1 모니터 전극(13) 중 적어도 일부가 평면시에 있어서 광 투과 영역(1a)과 겹쳐 있으면 된다. 예를 들면, 제1 모니터 전극(13)은 광 투과 영역(1a) 보다도 크게 형성되어도 되고, 광 투과 영역(1a) 보다도 작게 형성되어도 된다. 제1 모니터 전극(13)은 제1 미러부(31)의 표면(31a)에 배치되어 있고, 공극 S에 노출되어 있다. 제1 모니터 전극(13)은, 예를 들면, 불순물을 도프하여 폴리 실리콘층(25c)을 저저항화함으로써 형성되어 있다.
제2 미러부(32)에는 제2 구동 전극(14) 및 제2 모니터 전극(15)이 마련되어 있다. 제2 구동 전극(14)은, 제1 구동 전극(12)과 서로 마주 보도록 배치되고, 평면시에 있어서 광 투과 영역(1a)을 둘러싸고 있다. 제2 구동 전극(14)은, 예를 들면, 평면시에 있어서 제1 구동 전극(12)과 동일한 형상을 나타내고 있다. 제2 구동 전극(14)은 제2 미러부(32)의 공극 S와는 반대측의 표면(32a)에 배치되어 있다. 제2 구동 전극(14)은, 예를 들면, 불순물을 도프하여 폴리 실리콘층(27c)을 저저항화함으로써 형성되어 있다. 제2 구동 전극(14)은 폴리 실리콘층(27a, 27b) 및 질화 실리콘층(28a, 28b), 및 공극 S를 통해서 제1 구동 전극(12)과 서로 마주 보고 있다.
제2 모니터 전극(15)은 제1 모니터 전극(13)과 서로 마주 보도록 배치되고, 평면시에 있어서 광 투과 영역(1a)과 겹쳐 있다. 제2 모니터 전극(15)은, 예를 들면, 평면시에 있어서 제1 모니터 전극(13)과 동일한 형상을 나타내고 있다. 제2 모니터 전극(15)은 제2 미러부(32)의 공극 S측의 표면(32b)에 배치되고, 공극 S에 노출되어 있다. 제2 모니터 전극(15)은, 예를 들면, 불순물을 도프하여 폴리 실리콘층(27a)을 저저항화함으로써 형성되어 있다. 제2 모니터 전극(15)은 공극 S를 통해서 제1 모니터 전극(13)과 서로 마주보고 있다.
이와 같이, 제2 모니터 전극(15)은 제2 구동 전극(14)이 형성된 폴리 실리콘층(27)과는 상이한 폴리 실리콘층(27)에 형성되어 있다. 그 결과, 제2 모니터 전극(15)은 제1 미러부(31)와 제2 미러부(32)가 서로 마주 보는 방향에 있어서 제2 구동 전극(14)으로부터 이격되어 있다. 보다 구체적으로는, 해당 방향에 있어서, 제2 모니터 전극(15)과 제2 구동 전극(14)의 사이에는, 폴리 실리콘층(27b) 및 질화 실리콘층(28a, 28b)이 배치되어 있다. 덧붙여, 평면시에 있어서의 제1 구동 전극(12), 제1 모니터 전극(13), 제2 구동 전극(14) 및 제2 모니터 전극(15)의 형상 및 배치는, 도 4에 도시되는 예로 한정되지 않는다.
패브리 페로 간섭 필터(1)는 단자(16, 17, 18, 19)를 추가로 구비하고 있다. 각 단자(16~19)는, 평면시에 있어서 광 투과 영역(1a) 보다도 외측에 마련되어 있다. 각 단자(16~19)는, 예를 들면, 알루미늄 또는 그 합금 등의 금속막에 의해 형성되어 있다. 단자(16)는 단자(17)와 광 투과 영역(1a)을 사이에 두고 서로 마주 보고 있고, 단자(18)는 단자(19)와 광 투과 영역(1a)을 사이에 두고 서로 마주 보고 있다. 단자(16, 17)가 서로 마주 보는 방향은, 단자(18, 19)가 서로 마주 보는 방향과 직교하고 있다(도 1 참조).
단자(16)는 제2 적층체(24)의 표면(24a)으로부터 제1 적층체(22)에 도달하는 관통공 내에 배치되어 있다. 단자(16)는 배선(12a)을 통해서 제1 구동 전극(12)과 전기적으로 접속되어 있다. 단자(17)는 제2 적층체(24)의 표면(24a)으로부터 중간층(23)에 도달하는 관통공 내에 배치되어 있다. 단자(17)는 배선(13a)을 통해서 제1 모니터 전극(13)과 전기적으로 접속되어 있다.
단자(18)는 제2 적층체(24)의 표면(24a) 상에 배치되어 있다. 단자(18)는 배선(14a)을 통해서 제2 구동 전극(14)에 전기적으로 접속되어 있다. 단자(19)는 제2 적층체(24)의 표면(24a)으로부터 폴리 실리콘층(27a)에 도달하는 관통공 내에 배치되어 있다. 단자(19)는 배선(15a)을 통해서 제2 모니터 전극(15)과 전기적으로 접속되어 있다.
제1 적층체(22)의 표면(22b)에는 트렌치(T1) 및 트렌치(T2)가 마련되어 있다. 트렌치(T1)는 배선(13a)에 있어서의 단자(17)와의 접속 부분을 둘러싸도록 링 모양으로 연장되어 있다. 트렌치(T1)는 제1 구동 전극(12)과 배선(13a)을 전기적으로 절연시키고 있다. 트렌치(T2)는 제1 구동 전극(12)과 제1 모니터 전극(13) 사이의 경계를 따라서 링 모양으로 연장되어 있다. 트렌치(T2)는 제1 구동 전극(12)과, 제1 구동 전극(12)의 내측의 영역(즉 제1 모니터 전극(13))을 전기적으로 절연시키고 있다. 트렌치(T1, T2)에 의해, 제1 구동 전극(12)과 제1 모니터 전극(13)이 전기적으로 절연되어 있다. 각 트렌치(T1, T2) 내의 영역은 절연 재료여도 되고, 공극이어도 된다. 도 4에서는, 트렌치(T1, T2)는 생략되어 있다.
제2 적층체(24)의 표면(24a)에는, 한 쌍의 트렌치(T3), 트렌치(T4) 및 트렌치(T5)가 마련되어 있다. 한 쌍의 트렌치(T3)는 각각, 단자(16, 17)를 둘러싸도록 링 모양으로 연장되어 있다. 각 트렌치(T3)는 단자(16, 17)를 제2 구동 전극(14) 및 제2 모니터 전극(15)으로부터 전기적으로 절연시키고 있다. 트렌치(T4)는 단자(19)를 둘러싸도록 링 모양으로 연장되어 있다. 트렌치(T4)는 단자(19)를 제2 구동 전극(14)으로부터 전기적으로 절연시키고 있다. 트렌치(T5)는 제2 구동 전극(14)의 내연(內緣)에 따라서 링 모양으로 연장되어 있다. 트렌치(T5)는 제2 구동 전극(14)을 제2 구동 전극(14)의 내측의 영역으로부터 전기적으로 절연시키고 있다. 트렌치(T3~T5)에 의해, 제2 구동 전극(14)과 제2 모니터 전극(15)이 전기적으로 절연되어 있다. 각 트렌치(T3~T5) 내의 영역은 절연 재료여도, 공극이어도 된다.
기판(11)의 제2 표면(11b) 상에는, 반사 방지층(41), 제3 적층체(42), 중간층(43) 및 제4 적층체(44)가, 이 순서로 적층되어 있다. 반사 방지층(41) 및 중간층(43)은, 각각, 반사 방지층(21) 및 중간층(23)과 같은 구성을 가지고 있다. 제3 적층체(42) 및 제4 적층체(44)는, 각각, 기판(11)을 기준으로 하여 제1 적층체(22) 및 제2 적층체(24)와 대칭의 적층 구조를 가지고 있다. 반사 방지층(41), 제3 적층체(42), 중간층(43) 및 제4 적층체(44)는, 기판(11)의 휨를 억제하는 기능을 가지고 있다.
제3 적층체(42), 중간층(43) 및 제4 적층체(44)는, 외연부(11c)의 외연을 따라서 박화되어 있다. 즉, 제3 적층체(42), 중간층(43) 및 제4 적층체(44) 중 외연부(11c)의 외연을 따르는 부분은, 제3 적층체(42), 중간층(43) 및 제4 적층체(44) 중 외연을 따르는 부분을 제외한 다른 부분과 비교해서 얇아져 있다. 패브리 페로 간섭 필터(1)에서는, 제3 적층체(42), 중간층(43) 및 제4 적층체(44)는, 평면시에 있어서 박화부(34b)와 겹치는 부분에 있어서 제3 적층체(42), 중간층(43) 및 제4 적층체(44)의 전부가 제거되어 있음으로써 박화되어 있다.
제3 적층체(42), 중간층(43) 및 제4 적층체(44)에는, 평면시에 있어서 광 투과 영역(1a)과 겹치도록 개구(40a)가 마련되어 있다. 개구(40a)는 광 투과 영역(1a)의 크기와 대략 동일한 지름을 가지고 있다. 개구(40a)는 광 출사측으로 개구되어 있다. 개구(40a)의 바닥면은, 반사 방지층(41)에 도달해 있다.
제4 적층체(44)의 광 출사측의 표면에는, 차광층(45)이 형성되어 있다. 차광층(45)은, 예를 들면 알루미늄 또는 그 합금 등의 금속막으로 이루어진다. 차광층(45)의 표면 및 개구(40a)의 내면에는, 보호층(46)이 형성되어 있다. 보호층(46)은 제3 적층체(42), 중간층(43), 제4 적층체(44) 및 차광층(45)의 외연을 피복함과 아울러, 외연부(11c) 상의 반사 방지층(41)을 피복하고 있다. 보호층(46)은, 예를 들면 산화 알류미늄으로 이루어진다. 덧붙여, 보호층(46)의 두께를 1~100nm(바람직하게는 30nm 정도)로 함으로써, 보호층(46)에 의한 광학적인 영향을 무시할 수 있다.
［광학 필터 시스템의 구성］
도 5에 도시되는 것처럼, 광학 필터 시스템(50)은, 상술한 패브리 페로 간섭 필터(1)와, 패브리 페로 간섭 필터(1)를 제어하는 컨트롤러(51)를 구비하고 있다. 컨트롤러(51)는 제1 전류원(52)과, 제2 전류원(53)과, 검출부(54)와, 제어부(55)를 구비하고 있다.
제1 전류원(52)은 단자(16, 18)를 통해서 제1 구동 전극(12)과 제2 구동 전극(14)의 사이에 구동 전류를 인가함으로써, 구동 전류에 따른 정전기력을 제1 구동 전극(12)과 제2 구동 전극(14)의 사이에 발생시킨다. 해당 정전기력에 의해, 제2 미러부(32)가, 기판(11)에 고정된 제1 미러부(31)측으로 끌어당겨져, 제1 미러부(31)와 제2 미러부(32) 사이의 거리가 조정된다. 이와 같이, 패브리 페로 간섭 필터(1)에서는, 제1 미러부(31)와 제2 미러부(32) 사이의 거리가 정전기력에 의해 변화한다.
패브리 페로 간섭 필터(1)를 투과하는 광의 파장은, 광 투과 영역(1a)에 있어서의 제1 미러부(31)와 제2 미러부(32) 사이의 거리에 의존한다. 따라서, 제1 구동 전극(12)과 제2 구동 전극(14)의 사이에 인가하는 구동 전류를 조정함으로써, 투과하는 광의 파장을 적당히 선택할 수 있다.
광학 필터 시스템(50)에서는, 예를 들면, 패브리 페로 간섭 필터(1)에 인가하는 구동 전류를 변화시키면서(즉, 제1 미러부(31)와 제2 미러부(32) 사이의 거리를 변화시키면서), 패브리 페로 간섭 필터(1)의 광 투과 영역(1a)을 투과한 광을 광 검출기에 의해 검출함으로써, 파장 스펙트럼을 얻을 수 있다.
제2 전류원(53)은 제1 미러부(31) 및 제2 미러부(32)의 공진 주파수보다도 높은 주파수를 가지는 교류 전류를, 단자(17, 19)를 통해서 제1 모니터 전극(13)과 제2 모니터 전극(15)의 사이에 인가한다. 해당 교류 전류의 주파수는, 예를 들면 공진 주파수의 10배보다도 높게 설정된다. 제2 전류원(53)에 의한 해당 교류 전류의 인가 중에는, 제1 모니터 전극(13)과 제2 모니터 전극(15)의 사이에 교류 전압이 발생한다. 검출부(54)는, 예를 들면 전압계이며, 해당 교류 전압을 검출한다.
제어부(55)는, 예를 들면, 프로세서 및 메모리 등을 포함하는 컴퓨터에 의해 구성되어 있다. 제어부(55)는 제1 미러부(31) 및 제2 미러부(32)의 사이에 축적되는 전하량에 기초하여 제1 전류원(52)을 제어한다. 제어부(55)는, 예를 들면, 전하량이 목표량이 되도록 제1 전류원(52)을 제어한다. 해당 목표량은 제1 미러부(31)와 제2 미러부(32) 사이의 거리의 목표치에 따라 설정된다. 이것에 의해, 제1 미러부(31)와 제2 미러부(32) 사이의 거리가 원하는 거리로 조정된다.
또한, 제어부(55)는 검출부(54)의 검출 결과, 즉 검출부(54)에 의해 검출된 교류 전압에 기초하여, 제1 미러부(31)와 제2 미러부(32) 사이의 정전 용량을 산출한다. 해당 정전 용량은 제1 모니터 전극(13)과 제2 모니터 전극(15)의 사이에 인가되는 교류 전류, 제1 모니터 전극(13)과 제2 모니터 전극(15)의 사이에 발생하는 교류 전압, 및 교류 전류 및 교류 전압의 주파수에 기초하여 산출할 수 있다. 보다 구체적으로는, 교류 전류 I(t), 교류 전압 V(t)를 이용하여, 각주파수 ω의 함수로서의 복소 임피던스 Z(ω)가 Z(ω)=V(ω)/I(ω)에 의해 얻어지고, 정전 용량 C가 C=(ω×｜Z(ω)｜)－1에 의해 얻어진다. 제어부(55)는 얻어진 정전 용량에 기초하여 제1 미러부(31)와 제2 미러부(32) 사이의 거리를 산출한다. 이것에 의해, 패브리 페로 간섭 필터(1)의 동작 중에, 제1 미러부(31)와 제2 미러부(32) 사이의 실제 거리를 정밀도 좋게 모니터할 수 있다.
［작용 효과］
이상 설명했던 대로, 광학 필터 시스템(50)에서는, 패브리 페로 간섭 필터(1)가 제1 구동 전극(12) 및 제2 구동 전극(14)에 더하여, 제1 모니터 전극(13) 및 제2 모니터 전극(15)을 구비하고 있다. 그리고, 제1 미러부(31) 및 제2 미러부(32)의 공진 주파수보다도 높은 주파수를 가지는 교류 전류가 제1 모니터 전극(13)과 제2 모니터 전극(15)의 사이에 인가되고 있을 때 제1 모니터 전극(13)과 제2 모니터 전극(15)의 사이에 발생하는 교류 전압에 기초하여, 제1 미러부(31)와 제2 미러부(32) 사이의 정전 용량이 산출된다. 이것에 의해, 해당 정전 용량에 기초하여 미러부(31, 32) 사이의 거리를 산출할 수 있어, 패브리 페로 간섭 필터(1)의 동작 중에 미러부(31, 32) 사이의 실제 거리를 모니터할 수 있다. 또한, 제1 모니터 전극(13)은, 평면시에 있어서 광 투과 영역(1a)과 겹치도록 제1 미러부(31)에 마련되고, 제1 구동 전극(12)으로부터 전기적으로 절연되어 있고, 제2 모니터 전극(15)은 제1 모니터 전극(13)과 서로 마주 보도록 제2 미러부(32)에 마련되고, 제2 구동 전극(14)으로부터 전기적으로 절연되어 있다. 이것에 의해, 제1 모니터 전극(13) 및 제2 모니터 전극(15)을 제1 구동 전극(12) 및 제2 구동 전극(14)으로부터 독립시킬 수 있다. 그 결과, 미러부(31, 32) 사이의 정전 용량을 보다 적합하게 산출할 수 있고, 나아가서는 미러부(31, 32) 사이의 거리를 보다 적합하게 모니터할 수 있다. 따라서, 광학 필터 시스템(50)에 의하면, 신뢰성을 높일 수 있다.
또, 광학 필터 시스템(50)에서는, 제1 구동 전극(12)이 공극 S에 노출되어 있다. 이것에 의해, 제1 구동 전극(12)을 제2 구동 전극(14)에 근접시킬 수 있어, 미러부(31, 32) 간에 정전기력을 적합하게 발생시킬 수 있다.
또, 광학 필터 시스템(50)에서는, 제2 구동 전극(14)이 제2 미러부(32)의 공극 S와는 반대측의 표면(32a)에 배치되어 있다. 이것에 의해, 제2 구동 전극(14) 및 배선(14a)을 형성할 때 제2 미러부(32)에 컨택트홀을 형성할 필요가 없기 때문에, 제2 구동 전극(14)의 형성 공정을 용이화할 수 있다.
또, 광학 필터 시스템(50)에서는, 제1 모니터 전극(13)이 공극 S에 노출되어 있다. 이것에 의해, 제1 모니터 전극(13)을 제2 모니터 전극(15)에 근접시킬 수 있어, 미러부(31, 32) 사이의 거리를 보다 한층 적합하게 모니터할 수 있다.
또, 광학 필터 시스템(50)에서는, 제2 모니터 전극(15)이 공극 S에 노출되어 있어도 된다. 이것에 의해, 제2 모니터 전극(15)을 제1 모니터 전극(13)에 근접시킬 수 있어, 미러부(31, 32) 사이의 거리를 보다 한층 적합하게 모니터할 수 있다.
또, 광학 필터 시스템(50)에서는, 제2 구동 전극(14)과 제2 모니터 전극(15)이, 미러부(31, 32)가 서로 마주 보는 방향에 있어서 서로 이격되어 있다. 이것에 의해, 제2 구동 전극(14)과 제2 모니터 전극(15) 사이의 전기적인 절연성을 향상시킬 수 있다.
［변형예］
본 개시는 상기 실시 형태로 한정되지 않는다. 예를 들면, 도 6의 (a) 및 도 6의 (b)에 도시되는 제1 변형예의 패브리 페로 간섭 필터(1A)와 같이 패브리 페로 간섭 필터(1)가 구성되어도 된다. 제1 변형예에서는, 제2 구동 전극(14)이 폴리 실리콘층(27a)에 형성되어, 공극 S에 노출되어 있다. 즉, 제2 구동 전극(14)과 제2 모니터 전극(15)이 서로 동일한 폴리 실리콘층(27)에 형성되어 있다. 그 때문에, 배선(15a)이 단자(19)로부터 제2 미러부(32)의 표면(32a)을 따라서 연장되는 부분과, 미러부(31, 32)가 서로 마주 보는 방향을 따라서 연장되고, 제2 모니터 전극(15)의 가장자리부(緣部)에 접속된 부분을 가지고 있다.
이러한 제1 변형예에 의해서도, 상기 실시 형태와 마찬가지로, 신뢰성을 높일 수 있다. 또, 제2 구동 전극(14)이 공극 S에 노출되어 있기 때문에, 제2 구동 전극(14)을 제1 구동 전극(12)에 근접시킬 수 있어, 미러부(31, 32) 간에 정전기력을 보다 한층 적합하게 발생시킬 수 있다.
도 7의 (a) 및 도 7의 (b)에 도시되는 제2 변형예의 패브리 페로 간섭 필터(1B)와 같이 패브리 페로 간섭 필터(1)가 구성되어도 된다. 제2 변형예에서는, 제2 구동 전극(14)이 폴리 실리콘층(27a)에 형성되어, 공극 S에 노출되어 있다. 제2 모니터 전극(15)이 폴리 실리콘층(27c)에 형성되어, 제2 미러부(32)의 표면(32a)에 배치되어 있다.
이러한 제2 변형예에 의해서도, 상기 실시 형태와 마찬가지로, 신뢰성을 높일 수 있다. 또, 제2 구동 전극(14)이 공극 S에 노출되어 있기 때문에, 제2 구동 전극(14)을 제1 구동 전극(12)에 근접시킬 수 있어, 미러부(31, 32) 간에 정전기력을 보다 한층 적합하게 발생시킬 수 있다. 또, 제2 모니터 전극(15)이 제2 미러부(32)의 표면(32a)에 배치되어 있고, 이것에 의해, 제2 모니터 전극(15) 및 배선(15a)을 형성할 때 제2 미러부(32)에 컨택트홀을 형성할 필요가 없기 때문에, 제2 모니터 전극(15)의 형성 공정을 용이화할 수 있다.
도 8의 (a) 및 도 8의 (b)에 도시되는 제3 변형예의 패브리 페로 간섭 필터(1C)와 같이 패브리 페로 간섭 필터(1)가 구성되어도 된다. 제3 변형예에서는, 제2 구동 전극(14)이 폴리 실리콘층(27a)에 형성되어, 공극 S에 노출되어 있다. 즉, 제2 구동 전극(14)과 제2 모니터 전극(15)이 서로 동일한 폴리 실리콘층(27)에 형성되어 있다. 그 때문에, 배선(15a)이 단자(19)로부터 폴리 실리콘층(27b)을 따라서 연장되는 부분과, 미러부(31, 32)가 서로 마주 보는 방향을 따라서 연장되고, 제2 모니터 전극(15)의 가장자리부에 접속된 부분을 가지고 있다.
이러한 제3 변형예에 의해서도, 상기 실시 형태와 마찬가지로, 신뢰성을 높일 수 있다. 또, 제2 구동 전극(14)이 공극 S에 노출되어 있기 때문에, 제2 구동 전극(14)을 제1 구동 전극(12)에 근접시킬 수 있어, 미러부(31, 32) 간에 정전기력을 보다 한층 적합하게 발생시킬 수 있다.
도 9의 (a) 및 도 9의 (b)에 도시되는 제4 변형예의 패브리 페로 간섭 필터(1D)와 같이 패브리 페로 간섭 필터(1)가 구성되어도 된다. 제4 변형예에서는, 제2 구동 전극(14)이 폴리 실리콘층(27a)에 형성되어, 공극 S에 노출되어 있다. 제2 모니터 전극(15)이 폴리 실리콘층(27b)에 형성되고, 미러부(31, 32)가 서로 마주 보는 방향에 있어서의 제2 미러부(32)의 중간에 배치되어 있다.
이러한 제4 변형예에 의해서도, 상기 실시 형태와 마찬가지로, 신뢰성을 높일 수 있다. 또, 제2 구동 전극(14)이 공극 S에 노출되어 있기 때문에, 제2 구동 전극(14)을 제1 구동 전극(12)에 근접시킬 수 있어, 미러부(31, 32) 간에 정전기력을 보다 한층 적합하게 발생시킬 수 있다.
도 10의 (a) 및 도 10의 (b)에 도시되는 제5 변형예의 패브리 페로 간섭 필터(1E)와 같이 패브리 페로 간섭 필터(1)가 구성되어도 된다. 제5 변형예에서는, 제2 구동 전극(14)이 폴리 실리콘층(27b)에 형성되고, 미러부(31, 32)가 서로 마주 보는 방향에 있어서의 제2 미러부(32)의 중간에 배치되어 있다. 이러한 제5 변형예에 의해서도, 상기 실시 형태와 마찬가지로, 신뢰성을 높일 수 있다.
상기 실시 형태 및 각 변형예에 있어서, 각 구성의 재료 및 형상에는, 상술한 재료 및 형상으로 한정하지 않고, 다양한 재료 및 형상을 채용할 수 있다. 예를 들면, 단자(16, 17, 18, 19)의 배치는 상술한 예로 한정되지 않고, 임의의 배치여도 된다.
［제2 개시］
제2 개시는, 서로 대향하는 2개의 전극을 이용하여 실시되는, 용량성 구조체로 이루어지는 MEMS/MOEMS(미소 전기 기계 시스템/미소 광학 전기 기계 시스템) 또는 다른 미소 기계 가공 액추에이터 디바이스를 위한 작동 제어에 특유한 방법에 관한 것이다. 전극 중 적어도 한쪽은, 스프링이 장착되고 있고, 움직일 수 있다. 통상, 이러한 구조체는, 제어 전압을 콘덴서 극판에 인가하여 기계적 변위를 일으킴으로써 정전기적으로 제어된다. 일 응용예로서, 이러한 장치는 MEMS 베이스의 패브리 페로 간섭계에 사용되며, 그 전극 간의 간격은 매우 작고, 예를 들면 수μm 이하이고, 또 전극 간의 간격은, 매우 높은 정밀도로, 예를 들면 10nm 보다도 좋은 정밀도로 알려져 있을 필요가 있다. 해당 전극 간의 간격에 기초하여 디바이스의 투과 스펙트럼 및 반사 스펙트럼이 산출되기 때문이다. 따라서, 이들 디바이스는 적절한 전기 기계적인 교정(캘리브레이션)을 필요로 한다.
정전기 액추에이터를 제어하는 제시된 새로운 전자 회로 및 방법은, 제어 전압 V를 인가하는 대신에 정확한 양의 전하 Q를 공급하는 것에 기초하고 있다. 이렇게 함으로써, 2개의 전극이 매우 접근하므로 이것들을 다시 분리하는 것이 곤란하고, 나아가서는 불가능하기도 하여, 디바이스 또는 그 디바이스에 특유의 교정을 해칠 우려가 있는 「인입(Pull－in)」현상이 회피된다. 덧붙여, 전하에 기초하는 제어는, 디바이스의 액세스 가능한 조정 범위를 큰 폭으로 확장한다. 추가로는 이 제어에 의해, 생기는 간격 d에 대해 2개의 독립된 측정 방법을 실시하는 것이 가능하게 된다. 제1 방법은 전하 제어를 사용하는 준정적(準靜的) 정전 용량 측정이며, 상술한 전하에 기초하는 제어에 의해서 가능하게 된다. 제2 방법은 고주파 정전 용량 측정의 특별한 실시이며, 역시 전하 제어에 기초한다. 양방법 중 적어도 한쪽에 의해, 많은 교정 또는 재교정 스텝이 없어지고, 또 생기는 전극 간격의 완전한 제어가, 온도가 변화하는 상황, 또는 기계적인 드리프트 혹은 히스테리시스의 영향 하에서도 얻어진다. 덧붙여, 신규의 액추에이터 제어 시스템은 「인입」 현상에 의해 액추에이터가 손상될 위험없이, 전기 파라미터를 사용하여 정전 액추에이터를 특징짓는데 사용할 수 있다.
제2 개시에 의한 방법은, 액추에이터 디바이스 자체를 수정할 필요없이, 후술하는 특징 1에 의해서 특징지어지는 임의 타입의 정전 액추에이터에 사용할 수 있다.
제2 개시에 의한 정전 액추에이터 컨트롤러의 바람직한 실시 형태는, 전자 회로의 모든 필요한 구성 요소를 단일 칩에 실장하는 ASIC(주문형 집적 회로)로 이루어진다.
제2 개시의 다른 바람직한 실시 형태에서는, 전하 제어에 의한 동작이 디바이스 설계 규칙의 필수 부분을 형성하고, 또 정전 제어를 구비한 새로운 미소 기계 가공 MEMS/MOEMS 액추에이터가 개발되게 되고, 이 액추에이터는 전하에 기초하는 신규의 컨트롤러와, 이 컨트롤러를 이용한 간격 측정 시스템을 사용함으로써, 상당히 확장된, 더 나아가서는 신규 기능을 제공한다.
［배경］
MEMS 및 MOEMS 구조체의 분야에는, 공진 디바이스 및 비공진 디바이스가 있다. 통상, 이러한 구조체는, 기계적 운동에 관해서 1 또는 복수의 자유도를 가지고, 전자(電磁), 압전, 정전 등의 많은 상이한 타입의 액추에이터 방법이 있다. 이들 방법의 모두에 있어서, 가동 구조체에 걸리는 힘이 생성되고, 이러한 구조체의 동적 진동 혹은 공진 진동, 또는 정적 편향을 유발한다. 덧붙여, MOEMS 구조체에서는, 간격 또는 각도 등의 기계적 자유도의 정보를 광 기능성으로 변환하는 것이 많고, 예를 들면 광 공진기의 공동(空洞) 길이의 변동을 편향 각도로, 또는 다른 예로서 직선 운동을 간섭계 암의 상변이(相變異)로 변환한다. 이들 응용예 모두에 공통되는 것은, 그 설정이, 특히 휴대형의 응용예에서는 매우 견뢰하지 않으면 안 되는 것, 및 이들 자유도의 실제의 SET 위치 또는 SET 각도가 정밀하게 제어될 필요가 있는 것이다. 대부분의 이러한 시스템은, 큰 온도 의존성 또는 기계적 히스테리시스와 같이 바람직하지 않은 영향을 받는다. 따라서, 이들 자유도의 실제의 위치를 아는 것, 또는 해당 위치에 영향을 주는 것이 더 한층 중요하게 된다.
예를 들면 정전 공진 MEMS 미러에서는, 작동은 가동 전극과 고정 전극(예를 들면, 액추에이터 빗살) 사이의 전압을 제어함으로써 실현되고, 실제의 동적 미러 위치의 정확한 파악은, 같은 디바이스에 조립된 실리콘의 압전 간격 인코더에 의해서 보증할 수 있다. 작동 제어와 측정에 의한 자유도의 상태의 검출을 분리하면, 시료마다 「일점, 1회」의 교정밖에 필요로 하지 않는 디바이스를 만들어 내는 것이 가능하게 되고, 이 디바이스는 드리프트 및 히스테리시스가 없고, 또 온도의 영향이 완전하게 보상된다.
제2 개시는, 특정한 타입의 MEMS/MOEMS 구조체에 관하며, 이 구조체는, 이하의 특징에 의해서 최적으로 설명된다.
· 구조체는, 근접하고 있고 콘덴서를 형성하는 2개의 전극으로 이루어지고, 적어도 한쪽의 전극에는 스프링이 장착되어 있고, 그 전극이 반대측의 전극을 향해 움직이는 것이 가능하게 되어 있다.
· 전극 간의 간격 d는, 힘 F가 가해졌을 때 변화한다. 설명을 목적으로, 스프링은 후크의 법칙 F=D×Δx를 따른다고 가정한다. 실제로는 시스템의 비선형성이 있을 수 있지만, 이 비선형성은, 여기서 논해지는 기본적인 거동을 바꾸는 것은 아니다.
· 설명을 목적으로, 2개의 전극은 콘덴서의 극판을 형성하고 있고, 이들 극판에는, 그 콘덴서로 외부로부터 전기적으로 액세스하기 위한 배선이 이루어져 있다.
· 콘덴서는 공기, 보호 가스로 충전되거나, 또는 진공 중에 배치된다.
액추에이터를 포함하는 몇몇 광 디바이스에서는, 이러한 장치를 사용한다. 특히 흥미로운 디바이스는, 이른바 패브리 페로 에탈론 또는 패브리 페로 간섭계(이하에서는 「FPI」라고 간단히 기재함)이다. 실리콘에 미소 기계 가공함으로써 만들어지는 FPI에서는, 평행 극판은 간격이 수μm 이하의 범위의 작은 것이 될 수 있다. 이러한 FPI 구조체는 추가로, 양 콘덴서 극판에 고반사 미러를 포함하고, 그것에 의해서 광학 공동이 형성된다. 이러한 공동은 직각 입사(즉, 표면의 수선에 대해서 입사각 AOI=0°) 하에서, 주로 식 1을 만족하는 파장 λ의 광을 전송한다.
2×n×d=M×λ (식 1)
단,
d：극판 사이의 간격
M：패브리 페로 간섭계의 차수라고 불리는 정수
n：공동 내부의 굴절률
따라서, 선택된 간격 d에 의해, 고차수의 애매함에까지 디바이스의 전송 파장 λ가 선택된다. 저차수가 고차수의 애매함, 이른바 자유 스펙트럼 범위 FSR 없이 보다 큰 조정 범위를 가능하게 하므로, 바람직하다. 일례로서, 저차수 M=2에서는, 전송 파장은 극판 사이의 간격 d와 같다(n=1.0 및 AOI=0°인 경우). 실리콘은 1.1μm를 초과하는 파장 범위에서는 투과성이므로, 이러한 FPI 디바이스는 통상, 근적외 또는 적외 스펙트럼 분석기로서 사용된다. 차수 M=2에서는, 간격도 또, 수μm 미만의 범위가 된다.
교정된 디바이스를 실현하려면, 각각의 힘 F를 SET 위치로서 적합한 제어 파라미터에 의해서 가할 때 시스템이 가정하는, 실제의 간격 d를 정확하게 아는 것이 필수이다.
필요한 간격 정밀도는 디바이스의 목표의 파장 정밀도에 의해서 정해진다. FPI 디바이스의 목표의 파장 정밀도가 0.1nm여야 하는 경우, 예를 들면, d와 λ가 같은 M=2와 같은 상기의 예에서는, 간격 정밀도도 또한 0.1nm일 필요가 있고, 이것은 매우 어려운 요구이다.
현재, 이러한 디바이스는 전압을 콘덴서 전극에 인가함으로써 제어된다. 그 제어 전압은, 결과적으로 극판 사이의 인력을 발생시키는 전계를 가져오고, 그 때문에, 인가 전압을 바꿈으로써 극판 사이의 간격을 정적으로 변화시키는 것이 가능하게 된다.
실제의 응용예에서는, 위에서 논한 FPI 디바이스와 같은 MEMS/MOEMS 구조체에는 몇몇 중대한 결점이 있다.
(1) 각 디바이스는 그 자체의 개개의 파장 교정이 필요하고, 이것에는 비용이 든다. 각 디바이스에는 파장 교정 측정이 행해지고, 최대 전송 파장이 많은 상이한 제어 전압 레벨에 대해서 측정된다. 이 측정은 통상, 1개의 온도 T0에서 행해진다.
(2) 장기적으로 안정된 해결법을 얻기 위해서는 교정의 안정성이 조사될 필요가 있다. 응용예에 따라서는, 재교정이 때때로 필요하게 될 수 있다.
(3) 스프링 상수는 온도와 함께 변화한다. 디바이스가 실리콘으로 제조되는 경우, 실리콘 미소 구조체의 탄성은, 온도 의존성을 가지는 것이 알려져 있는 영률과 관련지어진다. 상이한 온도에서의 이 디바이스의 사용법에는 다음의 2개의 선택지가 있다.
· 각 디바이스를 각각 상이한 온도에서 교정한다. 이 절차는 극단적인 노력을 필요로 함과 아울러 비용이 들며, 수량이 많은 응용예에서는 그것들이 현저해 질 수 있다.
· 일반적인 온도 모델로 동작시키고, 온도 T1에 있어서의 교정을 온도 T0에 있어서의 측정 파장 교정으로부터 예측한다. 이 경우, 달성 가능한 정밀도는, 일련의 제조의 재현성 및 온도 변동 모델의 특성에 강하게 의존한다. 자동차 영역 등의 많은 응용예에서는, －40℃~105℃와 같은 매우 큰 동작 온도 범위가 필요하게 되고, 그 외에서는 디바이스가, 예를 들면, 스펙트럼 측정 디바이스를 포함하는 센서의 살균이 필요한 경우, 큰 온도 사이클에 노출되는 것 조차 있을 수 있다.
(4) 간격이 다양한 미소 기계 가공 MEMS/MOEMS 평행 극판 콘덴서는, 「인입」 현상이라고 불리는 현상을 나타낸다. 제어 전압이 특정한 레벨을 초과하여 증가하면, 시스템이 갑자기 불안정하게 되어, 가동 극판이 고정 극판을 향해 가속되어, 극판 사이의 간격이 급속히 감소되어, 극판이 서로 충돌한다. 디바이스에 따라서는, 이 타입의 이른바 「인입」사고는, 디바이스 수명의 다함 혹은 성능 열화, 또는 적어도 디바이스의 개개의 교정 특성의 손실을 가져올 수 있다. 이 폭주 현상을 확실히 회피하는 것은 매우 중요하다.
(5) 그 전압을 초과하면 「인입」 현상이 발생하는 제어 전압은, 파장 교정자체와 마찬가지로 온도에 의존한다. 이것은, 인가 제어 전압의 허용 동작 범위가 온도 의존성을 가지는 것을 의미한다. 실제의 응용예에서는, 이것은 어느 범위의 제어 전압이면 안전하게 인가될 수 있는지를 파악하기 전에, 온도 측정이 먼저 행해지지 않으면 안 되는 것을 의미한다.
(6) 샘플마다, 「인입」전압은 제조 계열에서 약간씩 다를 수 있다. 따라서, 각개별의 디바이스는 참조 온도 T0에 있어서의 허용 제어 전압에 대한 그 디바이스 자체의 최대치, 및 이들 최대치를 다른 온도로 변환하는 규칙을 필요로 한다. 즉, 파장 교정(파장 다항식의 계수)에 더하여, 개별의 FPI 디바이스마다, 처리할 필요가 있는 추가 파라미터가 있다.
(7) 제조에 있어서, 처음으로 개개의 FPI 샘플의 특징지음을 실행할 때, 개개의 「인입」점은 미리 알려져 있지 않다. 몇 퍼센트의 디바이스는 단순히 「인입」 현상에 의해서 결함품이 되고, 그것에 의해서 제조 수율이 저하하게 된다. 덧붙여, 허용할 수 있는 안전 제어 전압 동작 범위는, 디바이스마다의 양호/불량의 선택 파라미터이다. 따라서, 인입 현상은 제조 선택 과정에 의해서도 또, 제조 수율을 저하시킨다.
요약하면, 미소 기계 가공 MEMS/MOEMS 스프링 장착 극판 콘덴서 디바이스는, 패브리 페로 간섭계(FPI)로서 사용하는 경우와 같이, 큰 응용 잠재성을 가지지만, 제조 및 응용에 관해서 중대한 결함을 나타낸다. 이 상황은, 제2 개시의 전자 회로 및 정전 액추에이터 제어 방법에 의해서 극복할 수 있다.
［개시의 개요］
본 명세서에서 제시되는 제2 개시는, 용량성 구조체 및 적어도 1개의 스프링 장착 가동 전극을 가지는 미소 기계 가공 MEMS/MOEMS 시스템의, 상이한 타입의 전기 제어 장치로 이루어진다. 이하에서 설명하는 것처럼, 「인입」 현상은 완전하게 회피할 수 있고, 사용 가능 조정 범위는 큰 폭으로 확장할 수 있어, 상이한 타입의 전기 제어 장치에 의해, 간격 d를 측정 및 산출하는 2개의 새로운 방법이 이용 가능하게 되고, 그것에 따라서, 교정 및 온도 관련의 문제의 대부분이 해결된다. 최선의 경우, 디바이스는 단일점 교정에 의한 완전 자기 교정이 된다. 덧붙여, 새로운 전기 제어 장치를 사용하여 MEMS/MOEMS 시스템의 공진 모드를, 원하는 공진 주파수에 있어서 임의의 간격 d로, 「인입」 현상을 일으키는 위험, 또는 시스템 상태의 애매성을 발생시키는 위험이 없고, 여기할 수 있다.
제2 개시에 의한 정전 액추에이터 컨트롤러 시스템은, 이러한 디바이스의 제품 설계를, 특히, 어떤 「인입」 현상도 없는 것에 의해, 또 상당히 확장된 조정 범위에 의해, 기능 범위가 큰 폭으로 확장될 수 있도록 하여 수정하는 것을 가능하게 한다.
현재, 용량성 구조체 및 적어도 1개의 스프링 장착 가동 전극을 가지는, 검토되고 있는 MEMS/MOEMS 시스템의 전기 제어는, 제어 전압을 콘덴서 전극에 인가하고, 그것에 의해서 양전극을 반대의 전하 극성으로 충전하여, 전극 간에 인력을 발생시킴으로써 실현된다. 상세한 설명에서 나타내는 것처럼, 이 절차는, 간격 d에 관해서 시스템 상태의 예상 외의 애매성이 결과적으로 생겨, 잠재적으로 「인입」 현상을 초래하게 된다.
제2 개시의 스텝은 다음 3개의 본질적인 요소로 이루어진다.
· 정전 액추에이터를 전기적으로 제어하여, 신규의 컨트롤러 전자 회로가 결과적으로 얻어지는 새로운 방법
· 한쪽이 준정적인, 다른 쪽이 고주파 측정에 기초한, 2개의 새로운 독립된 간격 측정 방법
· 다른 상이한 동작의 방법을 위해서 컨트롤러를 확장하는 것, 예를 들면 리셋을 도입하는 것, 및 안정된 공진 여기를 위해서 피드백을 이용하는 것
보다 상세하게는, 제2 개시의 스텝은, 다음과 같다.
(1) 전압이 아니라 전하를 제어(DC 전류 및 시간의 제어를 포함)함으로써, 액추에이터 시스템의 전기 제어를 실현하는 것. 가능한 실시 형태에 대해서는, 이하의 다른 항에서 설명한다. 전하 제어가 DC 전류를 사용해서 이루어지는 경우, 제2 개시의 1개의 요점은, 전기 제어 접속을 전환 가능하게 하여, 전하원 또는 전류원을 MEMS/MOEMS 정전 용량으로부터, 정확하게 제어 가능한 시간에 접속 또는 절단하는 것이 가능하게 되는 것이다. 이렇게 함으로써, 정확하게 규정된 전하량을 MEMS/MOEMS 콘덴서에, 적절히 규정된 방법으로 부가하는 것이 가능하게 되고, 또 콘덴서에 생기는 전하량을, 스위치에 의해서 전기 제어 접속을 단지 절단함으로써 일정하게 (「동결」, 최대로 누설 전류까지) 유지할 수 있게 된다. 마지막으로, 상이한 응용예 니즈를 대상으로 하는 복수의 전하 공급 회로가 있으므로, 이들 전류원 유닛은 전기적으로 전환함으로써 선택할 수 있는 것이 바람직하다.
(2) 콘덴서의 전극 간에 생기는 전압을 측정하는 것. 이 전압은 전기 제어 신호로서 더 이상 사용되지 않으므로, 종속 측정량으로서 이용 가능하고, 그것에 의해서, (1)에 의해서 규정된 인가 전하량 하에서 콘덴서의 전압이 주어진다. (설명을 알기 쉽게 하기 위해서, 이 전압을 이하에서는 「생기는 전압」이라고 부른다. ) 실제상, 이 방법은 전하 Q를 설정하고, 생기는 전압 V를 측정하는 것에 의한, 정적 정전 용량 측정이다. 정전 용량은 콘덴서 전극 간의 간격 d에 강하게 의존하므로, 규정된 전하 Q 및 생기는 전압 V를 아는 것에 의해 전극 간의 간격을 결정하는 것이 가능하게 된다.
평행 극판 콘덴서 액추에이터 등의 간단한 콘덴서 기하 형상에서는, 실효 콘덴서 면적 A를 알고 있으면, 간격 d는 간단한 식으로 계산할 수 있다. 임의의 콘덴서 기하 형상에서는, 전극의 간격과 정전 용량치 사이의 관계를 기술하는 것이 필요하게 된다. 이러한 관계는 같은 타입의 일련의 디바이스에 의해 행해지는 전체적인 교정에 의해서 확립할 수 있다. 이 경우, 그 교정은 이 타입의 콘덴서 설계에 대해서 유효하다. 이렇게 하여, 전극 간의 실제의 간격을, 보다 적은 간단한 콘덴서 구조체에 대한 측정 정전 용량치로부터 산출하는 것이 가능하게 된다.
(3) 고주파 정전 용량 측정의 새로운 방법을 도입하는 것. 통상, 고주파 정전 용량 측정은 전압을 변조하고, 다음에, 생기는 전류를 측정함으로써 행해진다. 전압이 제어 파라미터로서 사용되는 경우에는 시스템 상태가 불안정하게 되는 것이 이해되고 있으므로, 고주파 정전 용량 측정을 행하기 위한 새로운 방법은, 이 측정을 MEMS/MOEMS 진동계의 기계 공진 주파수보다도 훨씬 높은 주파수의 작은 신호 영역에 있어서 실제의 콘덴서 전하를 변조함으로써, 생기는 AC 전압을 측정하면서 행하는 것이다.
(2)에서 언급한 것처럼, 전극 간의 간격 d를, 규정된 전하 Q 및 생기는 전압 V를 아는 것에 의해서 결정하는 것이 가능하다. 이 추가의 측정 방법 (3)은, 정적 정전 용량 측정에서는 정확한 간격을 얻을 수 없는 동작점이 있으므로, 필요하게 된다. 이것들은 어느 제어 전압으로 시스템이 구동되는 경우에 「인입」 현상이 발생하는 점과 동일한 점이다.
(4) 액추에이터를 주어진 (리셋) 전압원에, 예를 들면 액추에이터의 기계적 평형 위치에 대한 제로 볼트에 접속함으로써, 리셋 기능을 실시하는 것.
(5) 용량성 구조체 및 적어도 1개의 스프링 장착 가동 전극을 가지는 미소 기계 가공 MEMS/MOEMS 진동계의 공진 여기에도, AC 전하 제어를 사용하는 것. 이 사용은, (1)에 의해서 규정된 임의의 전하량으로, 즉, 전하에 기초하는 제어에 의해서 액세스 가능한 소정의 간격 d에 있어서 행해진다. 이미 말했지만, 상이한 동작 가능 구동 장치 유닛이 전환 가능, 즉, 전기적으로 접속 가능 및 절단 가능하다. 이 공진 여기의 경우에는, 컨트롤러는, 강제 발진을 여기하기 위해서 사용되는 AC 전류의 위상을 기준으로 하여 AC 변조 진폭 및 위상 지연을 검출할 수 있는, AC 전압 측정 회로를 포함한다.
이들 제2 개시의 스텝의 의미를 이해하려면, 이른바 「인입」 현상의 성질을 설명하는, 몇몇 상세한 고찰이 필요하다. 「인입」 현상은 미소 기계 결함이 아니고, 오히려, 순수하게 기계적인 부분이 전기 기계력과 상호 작용하는 것의 당연한 결과인 것을 이해하는 것이 매우 중요하다.
［개시의 상세한 설명］
＜상황에 대한 간략 설명＞
도 11은 미소 기계 가공 MEMS/MOEMS 평행 극판 콘덴서 및 전기 배선(106)의 개략을 나타낸다. 콘덴서 전극은 실효 콘덴서 면적 A를 가진다. 힘 F가 한쪽 극판에 작용하고 있는 경우, 1개의 자유도(104)만이 허용되고 있다. 이것에 의해, 한쪽 극판(103)이 극판에 수직으로만 움직여, 콘덴서 극판(103, 105) 사이의 간격 d가 변화한다. 전기 배선(106) 및 회로는, 콘덴서 극판(103, 105)이 전압의 극성과는 관계없이 반대의 극성으로 대전(帶電)하도록 마련되어 있다. 아무 외력이 없으면(중력은 무시할 수 있다고 가정함), 극판(103, 105)의 사이의 간격은 간격 dM로 평형(平衡)이 된다. 여기서 첨자 M은 「기계적」을 나타낸다. 인력 F가 증가하면, 극판(103, 105)의 사이의 간격은, 2개의 극판이 접촉할 때까지 더욱 줄어든다(간격 제로에 상당).
신장 Δx와 힘 사이의 관계는, 후크의 법칙에 의해서 주어진다.
F=D×Δx (식 2)
단, D는 스프링 상수이고,
Δx는 제로력의 점으로부터의 스프링(102)의 신장이다.
2개의 평행 콘덴서 극판(103, 105)의 사이의 힘은, 콘덴서의 전하 Q의 함수로서 기술할 수 있다.
｜F｜=(2ε0Α)－1×Q2 (식 3)
단,
ε0：유전율 상수
A：콘덴서의 실효 면적
Q：콘덴서의 전하
｜F｜：힘 F의 절대치
양 콘덴서 전극이 반대 극성의 전하로 대전하고 있는 한, 힘 F는 서로 당겨 극판 사이의 간격 d를 감소시키려고 한다. 인력 F에 수반되는 상태가 도 12에 도시되어 있다.
콘덴서의 정전 용량은, 간단하게 다음 식으로 주어진다.
C=ε0A/d (식 4)
정전 용량이 실제의 간격 d에 의존하는 것에 주의하는 것이 중요하다.
C=Q/V 및 식 4를 이용하면, 힘 F는 다음 식과 같이 고쳐 쓸 수 있다.
｜F｜=0.5ε0A×V2/D2 (식 5)
단, V는 제어 전압이다.
제어 전압 V를 사용하면, 간격 d를 다음 식과 같이 제어 전압의 함수로서 용이하게 기술할 수 있다.
d=dM－D－1(ε0A/2)×V2/d2 (식 6)
단, D는 스프링 상수이다.
식 6은 d의 지수가 3차이고, 카르다노(cardano)의 공식을 이용하여 푸는 것이 가능하다. 어떤 경우라도, d(V)와 V 사이의 관계는 강한 비선형성이 된다. 이 비선형성이, 7이상 등의 매우 고차의 다항식을 사용하는, V의 함수로서 간격 d에 적합한 교정식이 통상 제공되는 것의 이유이다.
이러한 곡선의 전형적인 결과가 도 13에 나타내져 있다. 선택된 파라미터는, 2017년 5월에 하마마츠 포토닉스에서 발행된 문헌 「Technical note: MEMS-FPI spectrum sensors C13272-01/02」에 개시된 실제 데이터와 관련된다. 제어 전압이 증가하면, 간격은, 처음은 소 전압에 있어서 천천히 밖에 감소하지 않는다. 그러나, 제어 전압이 상승하면, 구배 ∂d/∂V가, 제어 전압의 작은 증분이 콘덴서 극판의 서로를 향하는 매우 큰 변위를 일으키도록 하여 증가하고 있고, 이것이 「인입」 현상으로 이어진다. 제어 가능한 간격의 유효한 범위는 이 「인입」 현상에 의해서 강하게 제한되는 것, 및 그 「인입」 현상의 개시점은 온도 의존성을 가지는 것에 유의한다.
현 기술에 있어서의 이 제한을 극복하려면, 콘덴서 극판 사이의 힘의 물리적 기원을 재차 이해하는 것이 중요하다. 즉, 인력은 콘덴서의 한쪽 측의 전하가 제2 콘덴서 측의 전하에 의해서 생성되는 전계를 받을 때 발생한다(반대도 같음). 전하 Q에 대한 이 이중 의존성이, 인력이 전하 Q의 2승에 비례하는 것의 이유이다. 덧붙여, 전하 Q의 함수(각각 그 2승인 Q2)로서 주어지는 평행 콘덴서 극판 사이의 힘은, 콘덴서 극판 사이의 간격 d에 의존하지 않는 것이 알려져 있다.
따라서, 생기는 간격 d의 식은 (변수로서 제어 전압 V를 사용하지 않도록 함으로써), 다음 식과 같이 쓸 수도 있다.
d=dM－D－1(2ε0A)－1×Q2 (식 7)
식 7은 간격 d가 Q2에 관해서 선형인 것을 말하고 있다. 전하 Q가 증가하면, 간격 d는 간단한 식 7에 따라서 단조롭게 감소하게 된다. 식 7은 또, 이 간극이 적절한 전하량에 의해서 정확하게 제로까지 감소할 수 있다는 것도 나타낸다. 이 직선적이고 선형인, Q2의 함수로서의 시스템의 거동, 및 넓은 동작 범위는, 변화하는 제어 전압에 의해서 간격을 주사하고 있을 때 관찰되는 「인입」 현상과 모순되고 있는 것처럼 보인다. 다음의 항에서는, 이 역설의 이유를 설명한다.
정전 액추에이터 시스템이 제어 전압에 의해서 제어되고 있을 때는, 증가 중인 제어 전압이 콘덴서 극판 사이의 간격을 처음은 감소시키고 있다. 그러나, 간격 d가 감소할 때마다 정전 용량이 함수 1/d에 의해 증가하고 있으므로, 정전 용량은 d 자체에 의존하고 있다. 제어 전압이 상승할 수 있는 것보다도 빨리 1/d가 증가하기 시작하는 점이 존재한다. 바꾸어 말하면, 시스템의 실효 정전 용량이, 제어 전압에 의해서 시스템의 제어를 가능하게 하기에는 너무 빠르고, 너무 커져 있다. 이 현상의 더 정량적인 설명을 이하에서 행한다.
여기서, 제2 개시의 스텝의 하나의 부분은, 제어 전압으로부터, 가동 MEMS/MOEMS 콘덴서 구성으로 이루어지는 작동 시스템의 전하 제어로 바뀌는 것이다. 시스템 거동의 변경 및 그 결과는, 이하와 같이, 몇몇 추가의 간단한 식으로 설명할 수 있다.
전하 Q가 콘덴서에 배치된다고 가정하면, 다음 3개가 일어난다. 즉,
(1) 처음에, 간격은, 전하 Q와 그것에 의해 발생한 인력에 의해서 정해지는 새로운 간격 d에 합치한다. 따라서, 필요한 제어 전하를 간격 d의 함수로서 용이하게 나타낼 수 있다.
Q(d)=(2ε0AD)1/2×(dM－d)1/2 (식 8)
이 상태는 도 14에 나타내져 있다.
식 8의 Q(d)는, 모든 간격 d＜dM에 대해 적절히 정의된다.
(2) 정전 용량 C는, 식 4에 의한 새로운 값으로 바뀐다.
(3) 이 주어진 간격으로 콘덴서의 양단 간에 생기는 전압 V는 다음 식으로 얻어진다.
V(d)=Q/C(d)=［2D/(ε0A)］1 /2×(dM－d)1/2×d (식 9)
V(d)는 d로서 2개의 기여를 포함하는 것에 유의한다. 즉, 1개의 항은 d의 평방근과 함께 감소하고, 제2항은 d와 함께 직선적으로 증가한다. 이것은, 전하 Q(d)에 의해서 발생하는, 두께 d의 함수로 나타내지는 생기는 전압 V(d)가, 도 15에 나타내지는 것처럼, d에 대해서 최대치를 가진다고 하는 예상 외의 결과로 이어진다.
식 9로부터, 최대 전압 Vmax에 관한 두께 d를 용이하게 산출할 수 있다. 간격 d 각각에 관하여 V의 1차 도함수가 0이 되는 조건, 즉 V(d)의 극댓값의 조건은 간단하게 다음 식으로 주어진다.
d(V=Vmax)=2/3×dM (식 10)
이 고찰에 의해, 이하가 분명히 나타내진다.
(1) 단일의 해는 없지만, 전압이 특정한 최대 전압치 Vmax 미만인 한, 1개의 주어진 값에 있어서의 간격 d에 대해서, 보다 안정된 해가 있다(도 15). 이 발견은, 식 6이 d에 관해서 3차이고, 3개의 해에 대해서 제로가 될 수 있는 것에 대응한다. 수학적으로 말하면, 얻어진 종속 d(V)는 함수가 아니라, 관계이다. 간격 d의 함수로서의 전압은, 구배 ∂d/∂V가 무한대로 발산하는 최대치를 가진다. 같은 값의 V를 가지는 식 6의 2개의 해(2개의 가능한 d의 값을 의미함)가 서로 접근하는 경우, 시스템은 불안정하게 되어, 시스템은 양상태의 사이에서 임의로 진동할 수 있다. 제어 전압이 최종적으로 Vmax를 초과하는 경우, 이 시스템에는 안정해가 없어, 결과적으로 「인입」 현상이 발생한다(상세에 대해서는 도 17~도 20의 도면의 묘사를 참조). 이들 이유 때문에, 전압 V는 액추에이터 시스템의 제어 파라미터로서는 분명히 적합하지 않다. 그 결과, 전압 제어는, 매우 제한된 부분적인 범위(201)의 간격 d에 대해서만, 적절한 제어 파라미터가 된다(오늘의 현 기술에 대응하여).
(2) 시스템 제어 변수로서 전압을 사용하면, 「인입」 현상은, 식 10이 주는 간격 d(V=Vmax)에 있어서, 발산하는 구배 ∂d/∂V 및 그 부호의 변화에 의해서 일으켜진다. 간단하게 말하면, 「인입」 현상은 간격 d를 감소시킬 때 1/d에 대한 정전 용량 의존성(식 4)에 의해서 생기는, 순전한 「전기적」현상이다.
(3) 제어 전압에 의해서 주사할 때, 유효한 범위는, 「인입」 현상이 그 유효한 범위를 dM으로부터 d=2/3×dM(식 10 참조)으로 제한하므로(도 16의 곡선 V(Q)의 가지부(201)), 크게 제한된다. 따라서, 조정 범위는 전압 제어를 사용할 경우에 전체적으로 이용 가능한 변위 범위 dM의 단 33%까지로 제한된다.
절대수로 넓은 조정 범위가 전압 제어에 의해서 실현되어야 할 경우, 유일한 설계 선택지는 상술한 dM의 33%와 같은 조정 범위 제한 때문에, 큰 dM의 값을 선택하는 것이다.
제2 개시에 의한, 전하에 기초하는 정전 액추에이터 제어 디바이스 및 방법은 이 제한을 극복한다.
(4) 「인입」 현상은 초기 간격 dM과는 관계없이, 이러한 선형 시스템 모두에 있어서, d=2/3×dM(식 10 참조)에서 발생하는 것에 유의한다. 이것은 제로력 간격 dM이 큰 시스템도 또한, 전압 제어에 의해서 Vmax를 초과하는 값까지 주사하면, 이러한 「인입」 현상을 나타내는 것을 의미한다. 간격 d가 μm의 작은 값 또는 서브 μm의 간격에 가까워질 필요는 없다.
간단하게 하기 위해서, 위에서 고찰된 시스템은, 이상적인 평행 극판 전극으로 이루어지고, 후크의 법칙의 식 2에 정확하게 따른다고 가정되었다. 시스템이 비선형성에 의해 후크의 법칙에 완전하게는 따르고 있지 않은 경우, 또는 전극이 상이한 형상(예를 들면, 링 세그먼트 형상)을 가지는 경우, 전하 Q(d)에 의해 생기는 전압 V는 여전히 최대 전압 Vmax를, 경우에 따라서는 식 10이 주는 것과는 조금 상이한 간격으로 나타내는 것에 유의한다.
결론적으로, 용량성 구조체 및 적어도 1개의 가동 스프링 장착 전극을 가지는 정전 액추에이터 시스템이 있고, 이 시스템에서는, 전하 Q에 의해 생기는 전압 V(Q)에는, 전하량 Q에 대한 최대치가 있다. 이러한 정전 액추에이터 시스템에서는, 제어 전압에 의해서가 아니라 전하 Q의 양에 의해서 액추에이터 시스템을 제어하는 것이 바람직하다. 그 이유는 생기는 전압 V의 최대치 Vmax가 전하량 Q에 대해서 있는 이러한 시스템은, 전압 V＞Vmax에 대한 안정해를 보유하지 않고, 「인입」 현상은 제어 전압 V가 Vmax를 초과하면 바로 발생하기 때문이다.
이 고찰을 염두에 두고, 제2 개시의 스텝의 요점 1은, 간격 d의 전 범위에 애매성없이 대처할 수 없는, 전압에 의한 제어로부터, 파라미터 「전하 Q의 양」에 의한 제어 영역으로 바뀌는 것이다. 전하 제어를 이용하면, 제어 파라미터 Q는, 도 14에 도시되는 것처럼 d에 관해서 단조롭게 된다. 따라서, 어떠한 애매성도 없고, 또 어떠한 「인입」 현상도 없어, d=dM으로부터 d=제로까지 완전한 간격 범위(도 16의 201 및 202)에 대처하는 것이 가능하게 된다. 따라서, 실현 가능한 변위 범위는, 종래 기술인 전압 제어를 사용할 때의 전기 제어의 방법에 의해서가 아니라, 스프링(102)의 탄성 범위의 기계적 한계에 의해서만 제한된다.
이 수법의 원리 및 기본적 실현성을 나타내기 위해서, 또 가능한 확장을 설명하기 위해서, 도 21에 간단한 회로가 도시되어 있다. 그 개념은 MEMS/MOEMS 콘덴서 A(110) 보다도 정전 용량 CB가 작거나, 또는 매우 작은 추가의 콘덴서 B(111)를, 콘덴서 A가 분리되어 있는 동안에, 도 16에 나타내진 최대 전압 Vmax(203)를 초과하는 로드 전압 레벨 VB(114)로 충전하는 것이다. 그 시간 중(도 21의 S1을 전환하기 전)에, 콘덴서 A에 있어서의 전압(115)이 측정된다. 기존의 용량 CB를 가지는 콘덴서 B의 충전이 완료되면, 전압원으로의 전기 접속이 분리되고, 콘덴서 A와 B가 접속된다.
콘덴서 B로부터 콘덴서 A로의 전하 이전이, 양 콘덴서의 전압이 같아질 때까지 행해진다. 이전된 전하량은, 로드 전압 VB, 용량 CB, 및 접속 전의 콘덴서 A의 전압 V로부터 계산할 수 있다.
전하의 양은, 적분 시간 동안의 전류의 시간 적분이다. 전하 공급 회로에 직렬로 접속된 고속 스위치에 의해, 정확하게 규정된 임의의 시간에 충전원을 MEMS/MOEMS 콘덴서로부터 접속 또는 절단할 수 있게 된다. 따라서, 임의의 원하는 전하량을 MEMS/MOEMS 콘덴서에 정확하게 부가할 수 있다. 이와 같이 하여, 콘덴서는 임의의 원하는 전하량으로 충전할 수 있고, 이 전하량은 정전 액추에이터의 정전 용량의 간격 d의 동작점을 규정한다.
상기 패브리 페로 간섭계 FPI 등의 실제의 응용예에서는, 스펙트럼 측정은 규정된 간격 d의 동작점에 있어서 행할 수 있다. 2차로 동작하는 FPI의 예에서는, 피크 전송 파장이 MEMS/MOEMS 콘덴서의 극판 사이의 간격과 같아진다.
도 21을 고찰하면, 제2 개시의 스텝의 다음 요점에 이른다.
전압 V 대신에 전하 Q로 시스템을 제어하면, 전압은 MEMS/MOEMS 액추에이터의 용량성 구조체의 전하량 Q에 의해 생기는 전압 V(Q)의 의미를 가진다. 따라서, 생기는 전압은 추가의 정보를 주는 추가의 측정량으로서 도움이 될 수 있다. 용량성 구조체를 가지는 MEMS/MOEMS 시스템에서는, MEMS/MOEMS 평행 극판 콘덴서의 생기는 전압을 측정하면서, 전하량 Q를 정량적으로 제어하는 것은, 이미 알고 있는 식 C=Q/V에 기초한 정적 정전 용량 측정의 단순한 새로운 방법이며, 상기 식은 여기서 보다 좋게 다음 식처럼 쓰여지고,
C=Q/V(Q) (식 11)
Q가 동적으로 설정되는 제어치인 것, 및
V(Q)가 전극의 간격을 목표치 d로 설정하기 위해서 필요한 전하 Q(d)에 의해 생기는 의존치인 것
이 나타내져야 한다.
MEMS/MOEMS 평행 극판 콘덴서에서는, 극판 사이의 간격 d는, 실효 콘덴서 면적 A를 이미 알고 있는 경우, 식 4로부터 직접 계산할 수 있다. 이 기본식 C=Q/V는, d에 대해서 생기는 전압 V가 특정한 간격 d=d(V=Vmax)로 최대치를 나타내는 것에 관계없이, 계속 유효한 것은 주목할 만하다. 상술한 정적 정전 용량 측정에 의한 간격 d의 결정은, 도 15에서 전압 V가 최대치 Vmax를 취하는 점, 및 구배 ∂d/∂V가 발산하는 점에 있어서도 기능한다.
용량성 구조체 및 적어도 1개의 스프링 장착 가동 전극을 가지는 다른 MEMS/MOEMS 액추에이터 시스템에 대해서는, 전극의 간격과 정전 용량치 간의 관계에 대한 설명이 필요하다. 액추에이터의 콘덴서의 설계에 관해서 특징적인 이러한 관계를 측정 및 확립하면, 전극 간의 실제의 간격을 측정 정전 용량치로부터 산출하는 것이 가능하게 된다. 이 절차의 이점은 분명하다. 즉, MEMS/MOEMS 액추에이터 시스템 파라미터 「간격」의 교정에서는, 온도 의존성 또는 히스테리시스를 가질 수 있는 SET점값을 참조하는 것이 아니라, 온도 변화 또는 기계적 히스테리시스의 영향을 반영하는 순간의 정전 용량의 측정치를 참조한다.
몇몇 응용예에서는, 간격 측정에 있어서의 장기(長期)의 정밀도에 대한 요건은 매우 엄격하다. 배경의 항으로 언급한 것처럼, 간격 d는, 많은 응용예에 있어서, 예를 들면 적외광 방사의 피크 전송이 간격 d와 동일한 파장으로 일어나는 2차의 FPI로(AOI=0°인 경우), 매우 정밀하게 파악될 필요가 있다.
따라서, 제2 간격 측정 방식이, 하기의 미소 기계 가공 MEMS/MOEMS 정전 액추에이터와의 사용 전용으로 발명된다.
잘 알려져 있는 정전 용량의 측정의 방법은, 고주파(HF) 정전 용량 측정을 사용하는 것이다. 전형적인 HF 정전 용량 측정에서는, 높은 주파수의 작은 진동 전압 신호를 인가하여, 생기는 AC 전류를 측정한다. 현 기술의 MEMS/MOEMS 액추에이터 제어 시스템으로 이행하면, AC 전압 변조는 DC 제어 전압으로 가해지지 않으면 안 된다. 그러나, DC 전압 제어 영역에서 동작시키면, 위에서 상세하게 논한, 다가(多價)의 관계 V(d)에 의해서 생기는 모든 문제를 원래대로 되돌리게 된다. 여기서, 제2 개시의 스텝에서는, HF 정전 용량 측정을 전하 제어 수법에 맞춰 이하의 절차로 행한다.
· 정전 액추에이터를 원하는 간격 d까지 변위시키도록 전하량 Q(d)를 설정한다.
· 전하 공급 회로를 콘덴서로부터 스위치에 의해서 분리시킨다.
· 소신호 AC 전류원 I(t)의 공급원에 접속한다.
· 인가 AC 전류 레벨의 함수로서의, 생기는 AC 전압 변조 V(t)를 측정한다.
· 각주파수 ω의 함수로서의 복소 임피던스 Z(ω)가 Z(ω)=V(ω)/I(ω)에 의해서 얻어지고, 구한 정전 용량 C가 C=(ω×｜Z(ω)｜)－1에 의해서 얻어진다.
새로운 설명을 용이하게 하기 위해서, 이 방법을 「전류 주입 HF 정전 용량 측정」이라고 부를 수 있다. MEMS/MOEMS 정전 액추에이터는 기계적인 공진 주파수를 가지는 것에 유의한다. 공진 진동은 전하량 Q에 의해서 규정된 임의의 동작점d(Q)의 주위에서 일어날 수 있다.
제2 개시의 목적을 위해서는, 필요한 정밀도에 따라서, 공진 주파수보다도 충분히 위의, 예를 들면 적어도 10배 높은 주파수로, 이 「고주파」측정을 행하는 것이 매우 중요하다. 이것에 의해, MEMS/MOEMS 콘덴서 전극의 움직임은 이들 여기 주파수에 추종할 수 없으므로, AC 전류에 의한 기계 공진의 여기가 회피되어 간격 d는 AC 전류 신호에 의존하지 않는다. 마지막으로, 식 4에 의해, 실효 콘덴서 면적 A를 이미 알고 있는 경우에는, 콘덴서의 극판 사이의 간격 d를 산출하는 것이 가능하게 된다.
준정적 정전 용량 측정 방식에 의하거나, 또는 전류 주입 HF 정전 용량 측정 방법에 의해서, 실제의 간격 d를 정량적으로 산출할 가능성에 의해, 이러한 미소 기계 가공 MEMS/MOEMS 정전 액추에이터 디바이스의 응용에 대한 몇몇 문제가 한 번에 해결된다.
· 사용되는 MEMS/MOEMS 정전 액추에이터의 용량의, 간격 d에 대한 대략적의 의존성을 알고 있으면, 모든 순간의 간격치 d를 순간의 전하 제어치 Q, 및 생기는 전압 V(Q)로부터 계산할 수 있다.
· 간격 d에 대한 의존성을 알고 있는 MEMS/MOEMS 평행 극판 콘덴서(식 4)에서는, 베스트 케이스 비개별 완전 파장 교정 다항식은, 디바이스마다 측정되어 계산될 필요가 있다. 1개의 간격 d를 1개의 이미 알고 있는 전하량 및 1개의 온도에 있어서 측정하는 것이, 주로 실효 콘덴서 면적 A의 정밀한 파악을 위해서는 충분하다. 다른 모든 종속 요소는, 동작 중에, 제안된 방법에 의해서 간격을 산출함으로써, 즉 전압을 제어 파라미터로서 사용하는 것이 아니라 전압을 측정량으로서 이용 가능하게 함으로써, 측정할 수 있다.
· 실제의 간격 d를 변화시키는 온도 변동은, 실제의 간격 d가 재차 측정될 때 현저해진다.
· 장기의 드리프트 또는 히스테리시스의 영향은, 실제의 간격 d의 새로운 측정을 예를 들면 디바이스의 주사 제어의 동안에 실행함으로써 제거된다.
스프링 장착 미소 기계 가공 MEMS/MOEMS 액추에이터 시스템은, 기계 공진 주파수를 가진다. 공진 진동은, 임의의 준정적 동작점에 있어서 일어날 가능성이 있고, 이 동작점은 (정적) 전하량 Q(d)에 의해서 규정되는 평균 간격 d에 의해 특징지어진다. 몇몇 응용예에서는, 디바이스는 기계 공진 또는 그것에 가까운 상태에서 동작한다. 공진 모드를 여기하기 위해서, 시스템은 통상, 진폭 및 주파수를 조정 가능한 전압 변조에 의해서 구동된다. 「전류 주입 HF 정전 용량 측정」의 항에서 논한 것처럼, 이 변조는 DC 제어 전압에 가할 필요가 있다(다시, 위에서 논한 그 불리점 때문에 바람직하지 않은 영역). 제2 개시의 컨트롤러의 동작을 공진 진동의 구동의 경우에도 확장하기 위해서, 이하와 같이 다음으로 진행할 필요가 있다.
· 액추에이터 정전 용량을 원하는 간격 d로 조정하기 위해서 전하량 Q(d)를 설정한다.
· 실제의 간격 d를, 생기는 전압을 측정함으로써(즉, 정적 정전 용량 측정), 및/또는 전하 주입 HF 정전 용량 측정에 의해서 결정한다.
· 전하 공급 회로를 콘덴서로부터 스위치에 의해서 분리시키거나, 혹은 전류원 회로의 진폭을 제로까지 저감시킨다.
· 진폭 및 주파수가 조정 가능한 소신호 AC 전류원을 접속한다.
· 인가된 AC 전류의 함수로서의, 생기는 AC 전압 변조의 진폭 및 위상 지연을 측정한다.
전류 주입 HF 정전 용량 측정에 대한 위의 논의와의 차이는, 전하 Q의 동작점에서 콘덴서에 접속된 AC 전류 변조는, 진동성 기계 시스템의 이른바 강제 진동을 발생시키는 것이다. 여기력과 기계 진동의 사이에는 위상 지연이 있고, 이 위상 지연은 매우 낮은 주파수에서 0도이며, 공진 주파수와 같은 주파수에서 90도에 도달하고, 공진 주파수보다도 훨씬 높은 주파수에서는 180도에 가까워진다. 0도부터 180도로의 상승은, 진동성 시스템의 내부 댐핑이 작은 경우, 즉, 이른바 「Q치」가 높은 경우, 공진 부근에서 매우 빨라질 수 있다. 결론적으로, 간격 d는 또한 시간의 함수가 되어, AC 전류의 주파수를 가지지만 특징적인 진폭 및 위상 지연에 따라서, (특정한 천이 시간 후에) 주기적으로 진동한다. 제2 개시에 의해서 교시되는 전하/전류 제어로 전압 제어로부터 변경함으로써, 현 기술과 비교해서 이하의 이점이 얻어진다.
· d=0으로부터 제로력 상태 d=dM까지의 모든 간격치에 대처할 수 있다. 여기력 및 주파수는 임의로 선택할 수 있다.
· 진동성 MEMS/MOEMS 정전 액추에이터 시스템에 대해서, 생기는 진폭 및 위상 지연을 결정할 수 있고, 그것에 의해, 이동 상태의 완전한 제어를 실현할 수 있다.
이 검출 방법의 작은 결점은, 이 방법에서는, 구배 ∂d/∂V가 제로가 되는 최대 Vmax에 DC 전압이 도달하는 동작점 Q의 부근에서, 감도가 낮아질 수 있는 것이다.
상술한 진동 운동 컨트롤러 및 그 관련 측정 시스템(전하량을 제어하는 신규의 액추에이터 제어 시스템의 제2 개시에 기초함)에는, 현 기술의 전압 제어와 비교하여 하기의 몇몇 기본적인 이점이 있다.
· 제안된 방법은, 모든 간격 d에 대처하여 이용할 수 있고, 불안정함이 전혀 없고, 또 「인입」 현상의 위험이 전혀 없다.
· 시스템의 구동력은 Q2에 대해 선형이다(식 3). 이것은 다음 것을 시사한다. 즉, 전하 Q의 정현파 변동에 의해서 생기는 구동력은, 실제의 간격 d와 관계없고, 또 이 힘에 의한 영향을 받는 시스템의 실제의 움직임과 관계없다. 전압 제어를 대신에 사용하는 경우, 정현파 제어 변조 전압을 인가하는 것은, 힘 F가 V2/d2에 관계가 있다는 (식 5) 것을 의미한다. 여기력 자체는, 진동 중의 실제의 간격 d에 의존하고, 이 간격 d는, 이어서 그 힘에 의한 영향을 재현 가능하도록 받는다. 이 순환 의존성은, 예측 불가능하고 또한 바람직하지 않은 영향을 가져올 수 있다.
· 제2 개시에 의한 방법은, 진동 주파수, 진폭 및 위상 지연의 검출 시스템을 제공하고, 이 검출 시스템은 파라미터 d의 기계적 움직임을 직접 검출한다. 생기는 전압 V(AC 변조를 포함함)는 식 C=Q/V와, 간격 d를 전압 V로부터 직접 계산할 수 있도록 하는 V=Q/C=(Q/εoA)×d(식 12)로 한, 식 4에 의해서 얻어진다.
실효 콘덴서 면적 A는, 간단한 단일점 교정에 의해서, 예를 들면, 개개의 정전 액추에이터마다 이미 알고 있는 전하량에 대해 간격 d를 측정함으로써, 산출할 수 있다.
［바람직한 실시 형태의 상세한 설명］
제2 개시의 주요한 목적은, 적어도 1개의 가동 정전 용량 전극 및 1개의 스프링 장착 정전 용량 전극을 가지는 정전 액추에이터의 설정점(동작점)을, 현 기술에 있어서와 같은 제어 전압에 의해서가 아니라, 전극에 배치된 전하량에 의해서 제어하는 것이다. 그렇게 하려면, 도 22개의 정전 용량(210)으로부터 각각의 스위치에 의해서 접속 또는 절단할 수 있는, 상이한 전하 공급 회로를 사용할 수 있다. 바람직한 전하 공급 회로의 접속의 고속 및 고정밀도의 타이밍 제어, 및 그 특성에 의해, 정확하게 알려져 있는 전하량을 콘덴서에 부가하는 것이 가능해진다.
상기의 목적을 감안하여, 제2 개시는, 도 22에 나타내진 시스템을 이용하여 실현된다. 정전 액추에이터 정전 용량(210)은 전류원(211), 전압계(213) 및 리셋 스위치(215)에 대해서 병렬로 전기적으로 접속된다. 전류원(211)은 스위치(212)를 사용하여 온 또는 오프로 전환할 수 있다. 전압계(213)는 스위치(214)를 사용하여 온 또는 오프로 전환할 수 있다.
전류원(211)은 정전류 I를 생성한다. 스위치(212)가 닫히고, 전류 I가 시간 t 동안 흐르고 있을 때, 전하 Q=I×t가 정전 액추에이터 정전 용량(210)의 전극에 부가된다. 액추에이터 정전 용량(210)의 전극 사이에 있어서 전압 V(Q)가 측정된다. 평행 극판 정전 액추에이터의 경우, 도 23에 나타내진 전형적인 전압 대(對) 전하 곡선 V(Q)가, 상술한 이유 때문에 관측된다. 곡선 V(Q)는 최대치를 가지고, 이 최대치는, 이 점에 있어서의 발산 실효 정전 용량을 가져온다. 실효 정전 용량 Ceff는, 도 24에 도시되는 것처럼, Q(V)의 1차 도함수, Ceff=dQ/dV=(dV/dQ)－1에 의해서 얻어진다.
정전 액추에이터의 전극의 한쪽이 그라운드 또는 액추에이터의 케이스에 접속되어 있는 경우에 대해서, 적절한 정밀 전류원이 바람직한 실시 형태가 도 25에 도시되어 있다. 연산 증폭기(221)를 사용하는 이 회로는, 하우랜드 전류 펌프로서 알려져 있다. 이상(理想)에 가까운 거동을 얻으려면, 다음의 저항의 조건, 즉 R1=R2, R3=R4, R5=R6이 만족되지 않으면 안 된다. 이들 상황 하에서, 전류 I는 정전 액추에이터 정전 용량(220)을, 시간과 함께 직선적으로 증가하는 전하량 Q, Q=I×t에 의해서 충전한다. 전류 I는 입력부(222)에 있어서의 프로그래밍 전압 V의 선형 함수이며, I=V/R6×(R3＋R5)/R1이다.
정전 액추에이터 정전 용량의 양쪽의 전극이 플로팅인 경우에 대해서, 적절한 정밀 전류원의 바람직한 실시 형태가 도 26에 도시되어 있다. 연산 증폭기(226)를 사용하는 이 회로는, 상호 컨덕턴스 증폭기로서 알려져 있다. 전류 I는 정전 액추에이터 정전 용량(225)을 충전한다. 전류 I는 입력부(227)에 있어서의 프로그래밍 전압 V의 선형 함수이고, I=V/R이고, R은 저항(228)의 값이다.
작은 증분의 전하가 정전 액추에이터 정전 용량의 전극에 부가되는 것이 바람직한 경우에는, 스위치드 캐패시터 원리에 의한 전류원(211)이 바람직하다. 이러한 회로는, 예를 들면, W.A.Clark의 미국 특허 제5,969,513호, 「Switched Capacitor Current Source for Use in Switching Regulators」에 기재되어 있다. 스위치드 캐패시터 전류원은, 예를 들면, B.R.Gregoire 및 U－K.Moon의 IEE Trans. Circ. Sys. II: Express Briefs, Vol.54, No.3 March 2007("A Sub 1-v Constant Gm-C Switched-Capacitor Current Source")에 기재되어 있는 것처럼, 표준적인 반도체 기술을 사용하여, 집적 회로로서 매우 효율적으로 실장할 수 있다.
스위치드 캐패시터 전류원의 이점은, 그 순전한 디지털 동작이다. 즉, 완전히 같은 전하 패킷이 디지털 스위치의 제어 하에서 공급되어, 제어 전압의 정확한 아날로그 선택이 특별히 필요하게 되지 않는다.
많은 스위치드 캐패시터 전류원은 단극(單極)성이며, 즉, 일 방향의 전류의 흐름만을 공급할 수 있다. 이러한 경우, 제2 개시에서 필요한 쌍극성 전류원을 만들어 내려면, 반대 방향으로 전류의 흐름을 공급하는 2개의 스위치드 캐패시터 전류원이 병렬로 접속될 필요가 있다.
제2 개시에 의한 완전한 정전 액추에이터 제어 시스템의 바람직한 실시 형태가 도 27에 나타내져 있다. 이 제어 시스템은, 도 22에 도시된 정전 액추에이터 컨트롤러의 모든 요소를 제어하는 디지털 컨트롤러 시스템(231)으로 이루어진다. 디지털 컨트롤러 시스템(231)은 정전 액추에이터(230)의 기계적 변위를 제어하기 위한 일련의 커멘드의 모든 스텝을 실행한다.
제1 스텝에서는, 스위치(234, 238 및 239)가 열린다. 제2 스텝에서는, 리셋 스위치(239)가 닫힌다. 이것에 의해, 정전 액추에이터 정전 용량(230)이 완전하게 방전되어, 액추에이터가 그 기계적 제로력 위치로 돌아간다. 제3 스텝에서는, 리셋 스위치(239)가 열리고, 전압계 스위치(238)가 닫힌다. 이것에 의해, 정전 액추에이터(230)의 전극 간의 잔류 전압(「리셋 전압」)의 측정이 가능하게 된다. 측정은 전압계(235)에 의해서 행해지고, 전압계의 아날로그 출력(236)이, 아날로그-디지털 컨버터(237)에 의해서 디지털값으로 변환된다. 얻어진 리셋 전압의 디지털값은, 컨트롤러(231)의 메모리에 기억된다. 여기서, 시스템은 정전 액추에이터(230)의 변위를 제어하기 위한 반복 스텝열의 준비가 된 상태가 된다.
각 반복 스텝열은 전류원 스위치(234)를 닫는 것으로부터 개시한다. 소정의 시간 t 동안, 전류원(232)은 정전 액추에이터(230)를 전류 I로 충전하고 있고, 전하 패킷 ΔQ=I×t를 액추에이터 정전 용량(230)에 부가한다. I의 값 또는 전하 패킷 ΔQ의 사이즈는, 디지털 컨트롤러(231)에 의해서 제어 신호(233)를 통해서 결정(파악)된다. 공급된 모든 전하 패킷 ΔQ는 합계하면, 액추에이터(230)의 전극에 퇴적된 총 전하 Q가 된다. 전압계(235)는 액추에이터(230)의 전극 간의 전압 V(Q)를 계속하여 측정하고 있다.
V(Q)를 알고 있는 것에 의해, 실효 정전 용량 Ceff(Q)를 산출하는 것이, 1차 도함수 Ceff(Q)=dQ/dV=(dV(Q)/dQ)－1을 계산함으로써 가능하게 된다. 도 24에 도시되는 것처럼, Ceff(Q)는, 전하 Q의, 따라서 정전 액추에이터(230)의 변위에 대한 일대일의 척도이다. 특히, Ceff(Q)의 부호는, 정전 액추에이터(230)의 상태를 명시한다. Ceff(Q)가 양인 경우, 액추에이터는 그 제로력 위치의 근처에 있고, 리셋 스위치(239)가 닫히면, 액추에이터는 그 제로력 위치까지 돌아간다. Ceff(Q)가 음인 경우, 액추에이터는 이른바 「인입」점을 통과하고 있고, 리셋 스위치(239)가 닫히면, 액추에이터는 그 극한 위치 d=0까지 이동하는 것이 강제되고, 그것에 의해 전극이 접촉되어, 액추에이터의 불가역적인 손상이 생길 수 있다. Ceff(Q)가 음인 경우, 그래도, 0＜Vreset＜Vmax인 양의 리셋 전압 Vreset으로의 리셋을 실시함으로써, 액추에이터를 0과 2/3×dM 사이의 임의의 간격까지 움직이는 것이 가능하다. 그러나, 전압 제어만에 의해서 제로력 평형 위치까지 돌아오는 것은, Ceff(Q)가 음인 경우에는 불가능하다.
액추에이터 변위 스텝의 완전한 1 사이클이 종료된 후에, Ceff(Q)가 계산될 필요가 있다. Ceff(Q)가 양인 경우, 스위치(234 및 238)를 열고, 리셋 스위치(239)를 닫는 것이 안전하다. 이렇게 함으로써 액추에이터(230)는 그 제로력 위치까지 안전하게 이동한다. 그러나, Ceff(Q)가 음인 경우는, 액추에이터(230) 상의 총 전하 Q가 반전된 전류의 흐름에 의해서 인입점 미만으로 감소될 수 있도록, 전류원(232)의 극성이 제어 신호(233)에 의해서 바뀌지 않으면 안 된다. 총 전하가 특이점 및 Ceff(Q)의 부호 변화 미만으로 충분히 감소한 후는, 스위치(234 및 238)을 열고, 리셋 스위치(239)를 닫는 것이 안전하다. 이렇게 함으로써 액추에이터(230)는 그 제로력 위치까지 안전하게 이동한다.
도 22에서는, 전류원(211)에 스위치(212)가 주어지고, 전압계(213)에 스위치(214)가 주어져 있다. 전류원(211) 및 전압계(213)를 실장하는 전자 회로가 충분한 특성의 것이면, 전자 회로에 스위치(212 및 214)를 줄 필요가 없는 것도 있을 수 있다.
전압계(213)가 정전 액추에이터 정전 용량(210)에 부가된 전하 Q가 전압계(213)를 경유하여 현저하게 방전하지 않을 정도로 고임피던스인 경우, 또 전압계(213)가 가지는 정전 용량이 액추에이터(210)의 정전 용량과 비교해서 작은 경우에는, 스위치(214)는 여분이다.
전압계(213)가 측정을 위한 충분한 시간을 전압계(213)에 주기 위해서 전류원(211)을 스위치(212)에 의해서 오프로 전환할 필요가 없을 정도로 높은 시간 분해능으로 측정하고 있는 경우에는, 스위치(212)는 여분이다. 혹은, 전류원(211)의 전류를 고속으로, 또 전류를 제로로 할 때까지, 바꾸는 것이 가능한 경우에는, 스위치(212)는 역시 여분이다.
이들 경우에는, 도 22에 도시된 제2 개시에 의한 정전 용량 액추에이터 제어 시스템은, 도 28에 도시된 시스템으로 간략화할 수 있다. 여전히 필요한 유일한 스위치는, 리셋 스위치(215)이다.
상술한 전하 주입 HF 측정 방법을 이용하여 액추에이터 정전 용량(210)을 측정할 수 있는, 제2 개시에 의한 정전 액추에이터 제어 시스템이 도 29에 도시되어 있다. 소신호 AC 전류 주입원(216)이 전류원(211), 전압계(213) 및 리셋 스위치(215)에 대해서 병렬로 접속되어 있다. 필요하면, AC 전류 주입원(216)은 스위치(217)를 이용하여, 시스템의 다른 요소로부터 분리시킬 수 있다. 상술과 같이, AC 전류 주입원(216)은 액추에이터 정전 용량(210)을 고속으로 충전 및 방전하고 있지만, 정전 용량(210)의 전압은 전압계(213)에 의해서 관측되고, 이 전압계는 AC원(216)의 진동에 추종하는데 충분한 시간 분해능의 능력이 없으면 안 된다. 상술과 같이, 정전 용량(210)은 AC 전류 I(t), 전압 V(t) 및 진동각 주파수 ω를 알고 있으면, 산출할 수 있다. 또, I(t) 및 V(t)를 알고 있음으로써, I(t)와 V(t) 사이의 위상각을 결정하고, 정전 액추에이터(210)의 상태에 대한 추가 정보를 얻는 것도 가능하게 된다.
전압계(213)는 2개의 별개의 병렬의 회로로서 실현할 수 있다. 즉, 하나는 액추에이터 정전 용량(210)의 절대 전압을 측정하기 위한, 저속이지만 고정밀도인 풀스케일 전압계이며, 하나는 액추에이터 정전 용량(210)에 미치는 소신호 AC 전류 주입원의 영향을 측정하기 위한, 고속이지만 소신호인 전압계이다. 「고속」 및 「저속」이란 말은, AC 전류 주입원(216)의 변조 주파수에 관계가 있다. 「저속」은 측정 주파수가 AC원(216)의 여기 주파수보다도 아래인 것을 의미해, 「고속」은 측정 주파수가 AC 여기 주파수보다도 위인 것을 의미한다.
제2 개시의 특징은, 하기와 같이 기재될 수 있다.
［특징 1］
용량성 구조체 및 적어도 1개의 스프링 장착 가동 전극을 구비하고, 그것에 따라서, 전기적 수단에 의해 콘덴서에 인가된 힘에 의해서 상기 전극 간의 기계적 간격 d를 바꾸는 것이 가능하게 되는 미소 기계 가공 MEMS/MOEMS 정전 액추에이터 시스템용의 전기 액추에이터 컨트롤러로서,
전하 Q에 의해 상기 콘덴서에 생기는 전압 V가, 전하량 Q의 함수로서 적어도 1개의 최대치를 나타내는 것을 특징으로 하는, 적어도 1개의 가동 전극을 가지는 콘덴서 시스템을 구비하고,
상기 전기 액추에이터 컨트롤러가,
정전 용량 전극 사이에 있어서의 끌어당기는 기계력의 공급원의 직접 제어로서, 상기 시스템을 상기 전하량 Q에 의해서 직접 구동하는 것을 특징으로 하고,
상기 전기 액추에이터 컨트롤러가,
(1) 원리적으로 반복하여 전환 가능한 외부 부하 콘덴서 등의, 이미 알고 있는 전하량을 정확하게 공급하거나, 또는 바람직하게는, 전하 공급 회로에만 의존한다고는 할 수 없는, 1개 또는 복수의 전하 공급 회로,
및
(2) 상기 전하 공급 회로를 매우 고속이고, 또한 임의의 시간에 있어서, 또한 임의 선택에서는 반복하여, 상기 액추에이터의 콘덴서로부터 각각 접속 또는 절단하는 것을 가능하게 하는 전자 스위치이고, 그것에 따라서, 상기 액추에이터의 콘덴서의 총 전하량을 정량 레벨로, 상기 1개 또는 복수의 사용되는 전하 공급 회로의 특성과 함께, 규정하는 것이 가능하게 됨과 아울러, 특정한 전하량을, 예를 들면(그것만으로는 한정되지 않지만), 가동 전극 콘덴서 시스템에 기초하여 실시되는 측정을 실행하는 목적을 위해서 장기에 걸쳐 일정하게 유지하는 것이 가능하게 되는, 전자 스위치
에 의해서 실현되는, 전기 액추에이터 컨트롤러.
［특징 2］
특징 1에 기재된, 상기 전하량 Q를 직접 제어하는 상기 전기 액추에이터 컨트롤러를 사용하는 경우의, 특징 1에 기재된 상기 미소 기계 가공 MEMS/MOEMS 정전 액추에이터 시스템의 상기 전극 간의 간격 d에 의해서 형성되는 상기 용량성 구조체의 순간의 정전 용량의 측정 시스템으로서,
본 특징의 상기 순간의 정전 용량의 상기 측정 시스템이,
컨트롤러 시스템이, 상기 액추에이터의 정전 용량으로의 인가 전하량을 제어하는 것, 및 이 전하량이 이미 알고 있거나, 또는 상기 전하 공급 회로의 특성 및 상기 스위치의 타이밍에 의해서 결정할 수 있는 것,
및,
상기 전기 액추에이터 컨트롤러가, 상기 콘덴서의 양단 간에 생기는 전압을 측정하기 위한 회로를 포함하고, 그것에 의해, 전하량 Q 및 생기는 전압 V를 아는 것에 의해서, 상기 정전 액추에이터 시스템의 상기 전극 간의 순간의 간격 d에 의해서 형성되는 상기 용량성 구조체의 용량을 결정할 수 있는 것
을 특징으로 하는, 측정 시스템.
［특징 3］
특징 1에 기재된, 상기 전하량 Q를 직접 제어하는 상기 전기 액추에이터 컨트롤러를 사용하는 경우의, 특징 1에 기재된 상기 미소 기계 가공 MEMS/MOEMS 정전 액추에이터 시스템의 상기 전극 간의 간격 d에 의해서 형성되는 상기 용량성 구조체의 순간의 정전 용량의 측정 시스템으로서,
본 특징의 상기 순간의 정전 용량의 상기 측정 시스템이,
먼저, 상기 컨트롤러가 일정한 전하량을 상기 정전 용량에 부가하고, 그 결과, 상기 극판 사이의 상기 간격이 원하는 간격에 가깝게 되도록 조정되고, 다음에, 상기 전하 공급 회로가 가동 극판 콘덴서로부터 분리되고,
다음에, 추가 스위치를 통해서, 진동 평행 극판 콘덴서의 공진 주파수보다도 훨씬 높은 주파수의 AC 전류가 그 콘덴서에 주입되고,
상기 전기 액추에이터 컨트롤러가, 상기 콘덴서로부터 생기는 AC 전압 변조를 측정하기 위한 회로를 포함하고, 그것에 의해, 전하량 변조 ΔQ 및 생기는 피측정 변조 전압 ΔV를 아는 것에 의해서, 상기 정전 액추에이터 시스템의 상기 전극 간의 순간의 간격 d에 의해서 형성되는 상기 용량성 구조체의 고주파 정전 용량을 결정하는
것을 특징으로 하는, 측정 시스템.
［특징 4］
특징 4에 기재된, 상기 전하량 Q를 직접 제어하는 상기 전기 액추에이터 컨트롤러를 사용하는 경우의, 특징 1에 기재된 용량성 구조체 및 적어도 1개의 스프링 장착 가동 전극을 구비한 상기 미소 기계 가공 MEMS/MOEMS 정전 액추에이터 시스템용의, 강제 진동을 여기하여 진동 상태를 측정하기 위한 시스템으로서,
본 특징의 정전 액추에이터용의, 강제 진동을 여기하여 진동 상태를 측정하기 위한 상기 시스템이,
먼저, 상기 컨트롤러가 일정한 전하량을 상기 콘덴서에 부가하고, 그 결과, 상기 콘덴서의 전극 간의 간격이 원하는 간격에 가깝게 되도록 조정되고, 다음에, 상기 전하 공급 회로가 상기 콘덴서로부터 분리되고,
다음에, 추가 스위치를 통해서, 조정 가능한 진폭, 및 진동 액추에이터 콘덴서의 공진 주파수보다도 낮거나, 같거나, 또는 높은 주파수를 가지는 AC 전류가 그 콘덴서에 접속되고,
상기 AC 전류가 상기 진동 액추에이터 콘덴서의 강제 기계 진동을 구동하고,
상기 전기 액추에이터 컨트롤러가, 상기 콘덴서로부터 생기는 AC 전압 변조를 측정하기 위한, 변조 전압 진폭과 인가 AC 전류의 위상에 대한 그 위상 지연을 검출할 수 있는 회로를 포함하고, 그것에 의해, 적어도 과도 진동 위상 후에, 상기 정전 액추에이터의 상기 강제 진동의 진동 상태를 완전하게 결정할 수 있는
것을 특징으로 하는, 시스템.
［특징 5］
특징 1~4에 의한 전기 작동 컨트롤러로서, 상기 전기 작동 컨트롤러의 바람직한 실시 형태가, 적어도 1개의 스프링 장착 가동 극판을 구비한 상기 미소 기계 가공 정전 액추에이터의 근방에 바람직하게는 배치된 주문형 집적 회로(ASIC)에 의해서 실현되는 것을 특징으로 하는, 전기 작동 컨트롤러.
［특징 6］
병렬로 접속된 3개의 전기 구성 요소, 즉, 전환 가능 바이폴러 전류원, 전환 가능 고 임피던스 전압계, 및 리셋 스위치로 이루어지는 정전 액추에이터의 전부(全部)의 기계적 변위 범위를 이용하기 위한 정전 액추에이터 제어 시스템. 리셋 스위치는 정전 액추에이터를 방전시키기 위해서, 또한 액추에이터를 그 기계적 제로 위치까지 이동시키기 위해서 사용된다. 바이폴러 전류원은 이미 알고 있는 전하 패킷을 정전 액추에이터의 전극에 연속하여 퇴적시키는데 사용되어, 총퇴적 전하 Q의 단조 함수인 기계적 변위가 초래된다. 전압계는 정전 액추에이터의 전극 간의 실제의 전압 V(Q)를 결정하는데 사용된다. 이 정보를 이용하여, 액추에이터의 실효 정전 용량인 1차 도함수 dQ/dV=(dV/dQ)－1이 계산되고, 이 실효 정전 용량을 사용하여 액추에이터의 기계적 위치를 결정할 수 있다. 1 동작 주기가 종료된 후, 바이폴러 전류원을 능동적으로 사용하여 정전 액추에이터를 방전시킨다. 이 동작 시퀀스는 디지털 컨트롤러 시스템의 제어 하에서 실행된다.
［제3 개시］
제3 개시는 용량성 구조체와, 적어도 1개의 스프링 장착 가동 전극을 구비한 미소 기계 가공 MEMS/MOEMS 시스템을 전압이 아니라 전하량에 의해 제어하기 위해서 사용되는, 정전 액추에이터 컨트롤러의 조작 및 교정에 특유한 방법에 대해서, 이러한 용량성 구조체가 상당하거나, 또는 적어도 무시할 수 없는 누설 전류를 나타낼 수 있는 것에 특히 주목하여 기술한다.
관련 기술은, 제2 개시이며, 제2 개시는 무시할 수 없는 누설 전류가 있는 용량성 구조체용의 정전 액추에이터 컨트롤러의 사용을 포함한다.
［배경］
가동 부분을 가지는 MEMS 및 MOEMS 구조체는 작동할 필요가 있다. 작동의 다양한 방식이 알려져 있다. 1개의 가능한 선택지는, 적절한 액추에이터 구조체의 정전 작동이다. 용량성 구조체와, 제어 전압에 의해서 작동할 수 있는 적어도 1개의 스프링 장착 가동 전극을 구비한 특별한 미소 기계 가공 MEMS/MOEMS 시스템이 있다. 일례로서, 그러한 액추에이터 구조체를 이용하여 근적외 스펙트럼 범위의 스펙트럼 분석을 가능하게 하는, MEMS에 기초하는 패브리 페로 간섭계가 있다.
이러한 시스템의 중요한 특징은, 용량성 구조체의 용량이 전극 간의 간격 d에 의존하는 것으로, d가 감소하면 용량이 단조 증가하는 것이다.
이러한 구조체의 일례로서, 평행 극판 콘덴서의 용량은 다음 식으로 주어진다.
C=εoA/d (식 13)
여기서,
εo：유전율 상수
A：콘덴서의 실효 면적
d：전극 간의 간격
제2 개시는 이러한 용량성 구조체를 적어도 1개의 스프링 장착 가동 전극과 함께 구비한 것과 같은 미소 기계 가공 MEMS/MOEMS 시스템에 관해서, 전압 V는 전극에 배치된 전하량 Q의 함수로서 최대치를 나타낼 수 있는 것을 교시하고 있다. 전압 최대치는 다음과 같이 설명할 수 있다(도 30을 비교).
· 제로 전하에서는, 콘덴서의 전압도 또한 제로이다.
· 전극의 전하량이 증가하면 전극 간에 인력이 생긴다. 결과적으로, 전극 간의 간격 d가 축소되어, 용량성 구조체의 용량이 증가하고 있다. 처음 동안, d가 클 때에는, 용량은 d와 함께 서서히 변화하고 있다. 따라서, 콘덴서의 전압도 증가하고 있다.
· 퇴적 전하량이 추가로 증가하면, 전극 간의 간격은 감소하지만, 용량의 증가는 점차 빨라지고, 전극은 서로 가까워진다(예를 들면, 식 13에서 보여지는 것처럽). 그 결과, 전압 V(Q)는 최대치 Vmax를 가지게 된다. 보다 큰 전하량에서는, 전하량 Q의 증가에도 불구하고 콘덴서의 전압은 다시 감소한다.
이러한 시스템을 전압 제어에 의해서 제어하려고 하면, Vmax 보다도 조금 큰 제어 전압 Vcontrol이, 빠른 폭주 현상, 이른바 「인입」 현상을 초래한다. 이 현상은 양전극이 서로 충돌하여 끝나고, 이 충돌로는 통상, 액추에이터 디바이스가 손상된다.
제2 개시는, 이하를 교시한다.
· 전압 제어를 전하량에 의한 제어 영역으로 치환하면, 안전하고 「인입」이 없는 동작이 가능하게 된다.
· 전하 제어를 이용하면, V(Q)에 최대치가 존재하는 것, 및 생기는 「인입」 현상 때문에 전압 제어에 의해서는 액세스 가능하지 않은 전극 간의 간격의 조정 범위가 액세스 가능하게 된다.
· 1개 또는 복수의 전류원과 스위치를 조합하면, 어떠한 임의의 전하량 Qc도 액추에이터의 용량성 구조체의 전극에 부가할 수 있다.
· 덧붙여, 정확하게 제어된 전하량 Q를 가지는 콘덴서에서 생기는 전압 V(Q)의 측정을 행하는 것은, 액추에이터의 용량성 시스템의 실제의 정전 용량을 산출하기 위한 준정적인 방법이다. 전극 간의 실제의 간격 d는, 정전 용량과 전극 간의 간격 간의 관계가 예를 들면 교정 측정에 의해서 알고 있는 경우에는, 그러한 실제의 정전 용량치로부터 산출할 수 있다.
· 용량성 구조체 및 적어도 1개의 스프링 장착 가동 전극을 구비한 진동 MEMS/MOEMS 시스템의 공진 주파수보다도 위의 주파수를 가지는 AC 전류를 주입하여, 추가로 콘덴서의 전압의 AC 진폭을 측정하는 것은, HF 정전 용량 측정이며, 이 측정은 정전 액추에이터 컨트롤러의 전하/전류 제어와의 적합성이 있다.
제2 개시에 관한 모든 고찰은, 누설 전류를 무시할 수 있는 것으로 하여 행해졌다. 그러나, 현실의 MEMS/MOEMS 구조체에는 상당한 누설 전류가 있을 수 있다. 누설 전류는 상기의 「정전 액추에이터 컨트롤러」의 중요한 이점의 응용성을 제한한다. 제3 개시는 이 단점을, 무시할 수 없는 누설 전류가 있는 정전 액추에이터 시스템의 확실한 제어를 위한 컨트롤러 시스템 및 동작 모드를 제공함으로써, 극복한다.
［개시의 개요］
이하에 제시되는 제3 개시는, 제2 개시의, 액추에이터의 용량성 구조체에 무시할 수 없는 누설 전류가 존재하는 것에 의한 응용성 제한을 극복한다.
제3 개시의 스텝은, 5개의 본질적인 요소로 이루어진다. 제2 개시의 모든 개념은, 임의의 시간에 있어서의 콘덴서의 전압, 누설 전류원, 및 분리 저항 Rleak를 충분한 정밀도로 이미 알고 있는 경우에, 응용 가능하다.
제3 개시의 제1 스텝은, 적어도 1개의 추가의 전환 가능 참조 저항기와, 이 추가의 참조 저항기를 사용하는 전용의 측정 방법을 이용한, 분리 저항 Rleak를 정확하게 산출할 수 있도록 하는 구성을 도입하는 것이다. 이 교정 측정은, 임의의 실제의 동작 조건 하에서 임의의 시간에 반복할 수 있다. 이 방법에서는, 콘덴서의 전압 V 또는 제어 전하 Qc에 대한 분리 저항 Rleak의 의존성이 만약 있으면, 그 의존성을 측정하는 것조차 가능하게 된다.
전하 제어 영역에서는, 먼저 규정 전하량이 콘덴서에 부가된다. 다음 스텝에서, 모든 전류원이 콘덴서로부터 분리된다. 무시할 수 없는 누설 전류가 존재하는 것이, 콘덴서의 전하량 Q가 시간의 경과와 함께 감소함으로써, 선택된 설정점을 변화시키고 있다.
따라서, 제3 개시의 제2 스텝은, 제어 전하량 Qc에 의해서 규정되는 동작점을 유지할 수 있도록 하는, 제어 전류의 피드백 루프를 도입하는 것이다. 관계 V(Q)에 최대치가 있음으로써, 그 도함수 dV/dQ는 부호를 변화시키고, 따라서, 콘덴서의 전하량 Qc에 의해 생기는 전압은, 제어 폐루프의 검지치로서 적합하지 않다. 그 대신에, 제어 폐루프는 정전 용량을 검지치로서 이용하여 동작하도록 만들어진다. 정전 용량치는 「전류 주입」HF 정전 용량 측정 시스템을 이용하여 측정된다.
제3 개시의 제3 스텝은, 제3 개시의 제2 스텝의 구성을, 콘덴서의 제어 전하량 Qc에 의해서 규정되는 다른 동작점에 있어서의 분리 저항 Rleak의 추가의 측정 방법으로서 사용하는 것이다.
제3 개시의 제4 스텝은, 정전 액추에이터 컨트롤러의 하나 또는 복수의 본 정밀 저항기 및 내부 전압 측정 시스템을 사용하는 시스템 내의 모든 전류원의 재교정을 가능하게 하는, 추가 스위치를 도입하는 것이다. 추가 스위치의 도입은 제어되어야 할 전류가 매우 작은 것이 있으므로, 본질적으로 필요하다.
제3 개시의 제5 스텝은, 능동 피드백 제어를 이용하지 않고 극도로 간략화된, 그러나, 정전 액추에이터 컨트롤러의 부분적 동작 범위만은 인입 현상 등의 어떠한 폭주 현상도 발생할 위험 없이 기능하는, 동작 방식을 도입하는 것이다.
［개시의 상세한 설명］
제2 개시는 용량성 구조체 및 적어도 1개의 스프링 장착 가동 전극을 구비한 미소 기계 가공 MEMS/MOEMS 시스템의 전하 제어에는, 전압에 의한 제어와 비교하고, 몇몇 이점이 있는 것을 교시하고 있다.
이들 이점을 활용하기 위해서, 제2 개시는 도 31에 도시된 회로를 제안하고 있다. 전류원(311)은 전류 I를 액추에이터의 용량성 구조체(310)에 스위치(312)를 통해서 공급한다. 스위치(314)를 통해서 전압 측정 회로(313)가 콘덴서(310)에 접속됨으로써, 콘덴서(310)의 전하량 Q에 의해 생기는 전압 V를 측정할 수 있다. 리셋 스위치(315)에 의해, 콘덴서의 전압을 제로로 리셋할 수 있다.
목표의 제어 전하량 Qc가, 이미 알고 있는 전류 I를 공급하는 정밀 전류원(311)과, 접속/절단 전환(312)의 정확한 타이밍의 조합에 의해서, 콘덴서에 부가된다.
도 32는 실제의 콘덴서의 등가 회로를 고려하였을 때의 도 31의 정전 액추에이터 제어 시스템을 나타낸다. 분리 저항 Rleak(320), 등가 직렬 저항 RESR(321) 및 등가 직렬 인덕턴스 L(322)이 나타내져 있다.
직렬 저항 RESR은 통상, 분리 저항 Rleak 보다도 훨씬 낮고, 따라서 RESR은 무시할 수 있다고 가정된다. 인덕턴스 L(322)도 또한, 무시할 수 있다고 가정된다. Rleak의 영향만이 이하에서 고찰된다(도 33).
정전 액추에이터 컨트롤러는 규정 전하량을 용량(310)에 부가함으로써 액추에이터를 제어한다. 그러나, 전류원(311)에 의해서 공급되는 전류는 노드(323)에서 분류된다. 누설 전류 Ileak는, 콘덴서 C의 전압, 및 분리 저항 Rleak에 의존한다. 임의의 시간 t1에 있어서의 콘덴서의 전하 Qc(t)는 다음 식(식 14)에서 주어진다.
[수 1]
여기서,
I는 스위치(312)가 닫혀 있는 동안의 시간 함수로서의 전류원(311)의 전류이며,
V(Qc(t))는 전압계(313)를 이용하여 측정되는, 전하 Qc에 의한 콘덴서의, 스위치(314)가 닫혀 있을 때의 시간에 걸친 피측정 「생기는 전압」이고,
to는 개시 시간이고,
t1은 실제의 전하량 Qc(t)가 고려되거나 또는 제어되어야 할 실제의 시간이다.
전류원(311)에 의해서 공급되는 제어 전류는 이미 알고 있고, 생기는 전압 V(Qc(t))가 전압 측정 시스템(313)에 의해서 측정되는 경우, 식 14는 Rleak를 알 수 있으면 콘덴서의 전하량 Qc(t)를 임의의 시간 t에 있어서 정확하게 제어할 수 있는 것을 나타낸다. 따라서, 제2 개시에 기재된 정전 액추에이터 컨트롤러의 수법은, 분리 저항 Rleak가 충분한 정밀도로 알 수 있으면, 무시할 수 없는 누설 전류의 존재 하에서 사용할 수 있다.
통상, 고정 용량을 가지는 콘덴서 C의 분리 저항 Rleak는, 콘덴서에 전하 Q를 부가하고, 다음에, 어느 전류원 또는 제어 전압도 분리되고, 다음에, 콘덴서가 누설 전류에 의해서 방전되고 있는 동안, 콘덴서에서 생기는 전압을 시간의 함수로서 측정함으로써, 산출된다. 이 방법은, 전술한 액추에이터에서는, 그 콘덴서가 적어도 1개의 스프링 장착 가동 전극 때문에 고정 용량을 가지고 있지 않으므로, 도움이 되지 않는다. 도 30의 예에 나타내진 것처럼, 전극 간의 간격은 전하량 Qc의 감소에 의해서 증가한다. 그것에 따라서, 용량은 감소한다. 전압 V(Q)는 고정 용량 콘덴서의 경우와 같이 지수 함수적으로는 감쇠하지 않는다. 상기의 액추에이터에서는, 동작점에 따라 전압 V는 콘덴서의 전하량이 누설 전류에 의해서 감소할 때 상승할 수 조차 있다. 이것은, 도 30에 나타내진 관계 V(Q)에 있어서의 최대치의 결과이다. 결론적으로, 비고정 용량을 가지는 콘덴서 C의 분리 저항 Rleak를 산출하기 위한 기존의 방법은 응용할 수 없다.
따라서, 제3 개시의 제1 스텝은, 도 34에 도시된, 이미 알고 있는 저항 Rref를 가지는 참조 저항(350)과 스위치(351) 중 적어도 1개의 조합을 구비한 정전 액추에이터 컨트롤러를 확장하는 것, 및 분리 저항 Rleak를 정확하게 산출하기 위한 이하의 방법을 도입하는 것이다.
· 콘덴서는 제로 전하(즉, 리셋 스위치(315)에 의한 콘덴서의 리셋 후)로부터 개시하고, 전류원(311)에 의해서 인가되는 같은 정전류 I를 이용하여, 정전류 I＞Vmax×(Rleak －1＋Rref －1)와 같은 조건으로, 2회 충전된다.
· 충전 사이클 중, 전압 V는 시간의 함수로서 측정된다.
· 한쪽의 충전 사이클(시간 t1에 의해서 특징지어짐)이, 참조 저항(350) 중 어느 것이 관련 스위치(351)에 의해서 분리되어 있는 동안에 실행된다.
· 다른 쪽의 충전 사이클(시간 t2에 의해서 특징지어짐)이, 적어도 1개의 참조 저항(350)이 적어도 1개의 스위치(351)를 닫음으로써 접속되어 있는 동안에 실행된다.
2개의 충전 사이클 동안의 시간에 걸쳐서 생기는 전압의 함수의 차이로부터, 분리 저항 Rleak는, 참조 저항(350)의 이미 알고 있는 저항 Rref와의 관련에 있어서 산출할 수 있다.
이 측정 방법으로부터 원하는 정보를 취출하기 위한 1개의 가능한 방법이 이하에 나타내진다. 충전 사이클의 간결한 분석은, 전하량 Qc에 의해서 규정되는, 시스템이 동작하는 각 시스템 상태가 같은 것을 나타낸다. 이것은 콘덴서의 같은 제어 전하 Qc에 도달하면, 적어도, 도 30의 전압 최대치 Vmax(203)의 출현 전의 가지부(201) 및 출현 후의 가지부(202)의 전압 레벨에 관해서, 역시 동일한 생기는 전압 V(Qc)가 관측되는 것을 의미한다.
참조 저항기(350)가 접속되는 충전 사이클에서는, 방전에 대한 총 저항이, 콘덴서 C(310) 및 그 분리 저항 Rleak와 병렬로 전기적으로 접속되어 있는 추가 저항기(350)에 의해서 감소되어 있음으로써, 같은 충전 상태 Q에 도달하는데 보다 긴 시간이 걸린다. 그러므로, 같은 전압 레벨 V(t1)=V(t2)=V(Q)에 있어서, 시간의 각각의 구배인, 스위치(351)가 열려 있는 시간 t1에 있어서의 s1(t1)=dV/dt와, 스위치(351)가 닫혀 있는 시간 t2에 있어서의 s2(t2)=dV/dt는 상이하다. 이 경우, 분리 저항의 역수 Rleak －1은, 간단한 다음 식에 의해서 산출할 수 있다.
Rleak －1=I/V(Q)－s1/(s1－s2)×Rref －1 (식 15)
여기서,
I는 일정 부하 전류,
V(Q)는 양쪽의 충전 시퀀스의 피측정 등 전압 레벨, 즉, V(t1)=V(t2)=V(Q)이고,
Rref는 참조 정밀 저항기(350)이다.
이 방법을 이용하면, 제어 전하 Q 각각에 있어서의 전압 V(Q)에 대한 Rleak의 어떠한 의존성도, 만약 있으면, 정량적으로 검출하는 것이 실현 가능하기도 함에 유의한다.
제3 개시의 제2 스텝은, 전하량 Qc에 의해서 규정되는 동작점이, 액추에이터의 콘덴서의 무시할 수 없는 누설 전류가 존재함으로써 드리프트를 나타내는 것과 같은 문제에 대처한다.
누설 전류를 무시할 수 있는 경우에는, 규정 전하량을 콘덴서에 부가하고, 다음에, 스위치(312)에 의해서 전류원(311)을 분리시키는 것이 가능하다. 누설 전류의 존재 하에서는, 전하량 Q에 의해서 규정되는 동작점은 불변은 아니지만, 콘덴서는 누설 전류 때문에 방전된다. 동작점을 안정하게 하려면, 전하량 Q를 일정하게 유지하도록 하여 전류를 제어하는 피드백 루프를 시스템에 도입할 필요가 있다. 도 30에 도시되는 것처럼, 함수 V(Q)가 최대치(203)를 가지기 때문에, 이러한 피드백 루프는 표준적 PID 컨트롤러를 이용하여 만들 수 없다. PID 제어는 제어되는 시스템이 검지치와 제어치의 사이에 단조 특성을 가지는, 즉, 그 1차 함수의 부호가 변하지 않는 경우에는, 적절히 기능한다. 따라서, 도 30의 가지부(201) 또는 도 30의 가지부(202) 중 어느 것에 PID 컨트롤러를 사용하는 것은 실시 가능하지만, V(Q)의 최대치(203)가 존재함으로써 dV/dQ의 구배가 상이한 부호를 가지므로, 같은 컨트롤러를 이용하여 양쪽의 가지부에서 실시할 수는 없다.
정전 용량은 전극 간의 간격의 양호한 지표이다. 도 30은 적어도 1개의 스프링 장착 전극을 가지는 평행 극판 콘덴서의, 이 특별한 구성의 상황을 나타낸다. 제2 개시에서 지적되고 있는 것처럼, AC 변조 전압을 인가하여, 생기는 전류를 검출하는 HF 정전 용량 측정은, 이 방법이 AC 변조 전압을 가할 수 있도록 하기 위해서 시스템의 DC 전압 제어를 필요로 하므로, 실행하는 것이 가능하지 않다. 그러나, 정전 액추에이터의, 도 30에 나타내지는 V(Q)에 최대치를 가지는 전압 제어 영역은, 가지부(201) 상의 동작점에만 액세스할 수 있고, 가지부(202) 상의 어떠한 동작점에도 액세스할 수 없다. 덧붙여, 전압 제어는 제어 전압이 최대치(203)의 전압 Vmax를 어느 정도 초과했을 경우에는 「인입」 현상을 초래하는 것이 알려져 있다. 그러므로, 이 방법은 정전 액추에이터 컨트롤러의 전하 제어 영역과의 적합성이 없다. 제2 개시에서는, 이 문제를 AC 변조 전류가 주입되고, 생기는 AC 변조 전압이 AC 전류 신호에 대해서 진폭 및 위상 지연에 대해 측정되는 「전류 주입에 기초하는 HF 정전 용량 측정」의 개시에 의해서 해결한다. 추가의 AC 전류는 시간 분해의 전압 측정 시스템(313)이 진폭 및 위상을 측정할 수 있는 동안, 스위치(317)에 의해서 접속 또는 절단할 수 있는 전용원(316)에 의해서 공급된다.
이 「고주파」측정은 각 동작점에 있어서 액추에이터 시스템의 공진 주파수보다도 충분히 위의, 예를 들면, 필요한 정밀도에 따라 적어도 10배 이상의 높은 주파수로 행하는 것이 중요하다. 따라서, 액추에이터의 움직임은, AC 전류원(316)으로부터의 주입 AC 전류의 변조에 추종하고 있지 않다. 이 조건 하에서, 액추에이터 용량성 구조체는, 전류 및 전압의 HF 변조 신호에 대해서, 용량이 콘덴서의 전하량 Qc에 의해서 산출된 동작점에 의해 규정되는 고정 용량 콘덴서와 같이 작용한다.
「전류 주입에 기초하는 HF 정전 용량 측정」은 또한, 무시할 수 없는 누설 전류의 존재 하에서도 가능하다. 제2 개시에 기재되어 있는 것처럼, 복소 임피던스가 측정된다. 임피던스의 실수부로부터는 분리 저항 Rleak를 계산할 수 있고, 허수부로부터는 실제의 정전 용량을 계산하는 것이 가능하다.
요약하면, 제3 개시의 제2 스텝은, 무시할 수 없는 누설 전류에 의한 동작점의 드리프트의 문제를, 정전 액추에이터 컨트롤러의 전하 제어 영역과 적합성이 있고, 또한 전류 I를 제어하기 위한 폐피드백 루프의 입력으로서 정전 용량치를 사용하는, 정전 용량 측정 방법을 이용하여 해결하고, 그것에 의해서, 콘덴서의 전하량 Qc에 의해서 규정되는 동작점을 변화하지 않도록 유지하는 것이 가능하게 된다.
제3 개시의 추가의 제3 스텝은, 분리 저항 Rleak의 정밀 측정 시스템으로서 상술한 폐피드백 루프를 사용하는 것이다. 폐피드백 루프의 역할은 Qc가 일정하다는 조건을 유지하는 것이다. 식 14를 보면, 시간 t에 있어서의 Qc=일정과 같은 조건은, 식 14의 피적분 함수가 제로일 때 얻어진다. 이것은, 폐피드백 루프 제어 하에서 제어 전류 I가, 적어도 시간 평균치로 누설 전류 Ileak=V(Q)/Rleak와 같은 것을 의미한다. 따라서, 전하량 Qc에 의해서 규정된 주어진 동작점에 있어서의 누설 전류의 값은, 폐피드백 루프가 액티브이고, 또한 (어느 정도 과도기적인 시간 후에) 안정 상태에 있는 동안의 시간에 걸친, 제어치 「전류 I」의 평균에 의해서 용이하게 산출할 수 있다.
분리 저항 Rleak를 산출하기 위한 상기의 방법에서는, 전류 I를 매우 정확하게 알 필요가 있다.
따라서, 제3 개시의 제4 스텝은 DC 전류원(311) 또는 AC 변조 전류원(316) 등의 임의의 전류원에 의해서 생성되는 전류를 자기 모순이 없도록 전압계(313)에 의존하여 측정하기 때문에, 저항기 Rref(350)를 사용하는 것(또는, 참조 저항기와 관련 스위치의 몇몇 조합이 실시되는 경우에는, 상이한 저항치를 가지는 몇몇 저항기를 별개로 사용하는 것)이고, 그것에 의해서, 언제라도 전류 레벨의 재교정이 가능하게 된다. 그렇게 하기 위해서, 액추에이터(370)의 용량 C(310)를 이 재교정 측정을 위해서 정전 액추에이터 컨트롤러(360)의 회로로부터 분리시킬 수 있는 추가 스위치(318)가 도입된다(도 36 참조).
필요에 따라서, 참조 저항기(350)의 저항(또는, 몇몇 참조 저항기가 실장되는 경우에는 몇몇 저항)을 ASIC 구조체 내에, 예를 들면 저항치의 레이저 트리밍에 의해서 제작할 수 있는 것이 바람직하다. 참조 저항기 Rref(350)(각각, 개별의 참조 저항기치 Rref , N)가 외부로부터 액세스 가능한 것도 다시 주목할 만하다. 정전 액추에이터 컨트롤러(360)가 스프링 장착 가동 전극(370)을 구비한 MEMS/MOEMS 용량성 구조체로부터 분리되는 경우, 참조 저항기(복수 가능)의 저항치(복수 가능)는, 필요에 따라서 외부 저항 측정 시스템에 의해서 측정할 수 있다.
실제, 정전 액추에이터 컨트롤러(360)의 임의의 능동 또는 수동 구성 요소에 대한 외부 액세스가 개별로, 스위치(312, 314, 317 및 351)에 의해 가능하다. DC 전류원(311), AC 변조 전류원(316), 전압계(313) 및 정밀 저항기(350) 등은, 필요에 따라서 외부로부터의 외부 액세스에 의해서 교정할 수 있다.
제3 개시의 제5 스텝은, 능동 피드백 제어를 이용하지 않는, 극도로 간략화된 동작 방식을 도입하는 것이다. 전압 제어는 단순하지만, 제어 전압이 전압 Vmax(203)를 초과하면 바로, 「인입」 현상이라고 불리는 즉시 폭주 현상을 초래한다. 「인입」 현상은 액추에이터 디바이스, 또는 적어도 그 교정 특성을 손상시킨다. 예를 들면 제어 전압의 안전 범위가 온도 의존성을 가지기 때문에, 이러한 폭주 현상을 개시시키는 리스크는 꽤 높다. 이 제3 개시의 스텝은 여기에서는, 무시할 수 없는 누설 전류가 있는 액추에이터를 고려하여, 전하량 Qc에 의해서 규정되는 동작점을 안정되게 하기 위한 간단한 정전류원을 사용하는 것이다. 이 방법은 다음과 같이 기능한다. 즉,
· 먼저, 목표 동작점이 전류원(311) 및 스위치(312)에 의해, 그 전하량을 콘덴서에 부가함으로써 설정된다.
· 생기는 전압 V(Qc)가 스위치(314)를 닫은 채로 있는 동안에, 전압계(313)에 의해서 측정된다.
· 값 V(Qc)/Rleak의 제어 전류가 설정된다.
전하 Q가 설정점 Qc를 초과하면, 생기는 전압은 증가하고, 누설 전류는 증가하며, 그것에 의해서, 전하량 Qc에 의해서 규정되는 동작점이 안정되게 된다. 마찬가지로, 전하가 적으면 누설 전류가 적게 되어, 그것에 의해서 동작점이 역시 안정되게 된다.
유감스럽지만, 이 방법은 일부의 동작 범위, 즉 정전 액추에이터 컨트롤러의 가지부(201)에 대해서 기능할 뿐이다. 실제, 이 방법에는, 액세스 가능 동작 범위에 관해서, 종래의 전압 제어 모드에 있어서의 것과 같은 제한이 있다. 그래도, 본 방법은 현재의 MEMS/MOEMS 액추에이터의 대부분이, 전압 제어에 의해서 실제로 제어할 수 있는 전극 간의 간격 d의 조정 범위에 대해서 설계되어 있음으로써, 실용상 중요하다.
상술한, 무시할 수 없는 누설 전류가 있는 액추에이터의 전류 제어의 간략화 방법에는, 이하의 몇몇 이유로 인한 「인입」 현상에 의한 디바이스의 파괴의 위험이 없다고 하는 큰 이점이 있다. 즉,
· 디바이스가 일단 전압 제어에 의한 동작의 불안정 범위 내로 들어오면, 폭주가 매우 빠르게 가속되고 있다. 이 과정은 제어할 수 없다. 덧붙여, 폭주 현상의 시작을 검출하기 위한 감시치가 없다.
· 대조적으로, 상술한 전류 제어 방법에서는, 콘덴서를 천천히 충전하고, 또 감시치, 즉 전압계(313)에 의해서 계속적으로 측정되는 생기는 전압 V/(Qc)가 있다.
· 따라서, 인입 현상의 시작은 생기는 전압 V/(Qc)가, 제어 전류가 일정한 동안은 단조 강하하는 것을 기준으로 하여 검출할 수 있다. 이 조건을 검출하면, 충전 과정은 정지시킬 수 있어, 「인입」 현상이 일어나지 않는다.
제3 개시의 5개의 스텝을 이용하면, 용량성 구조체, 및 적어도 1개의 스프링 장착 가동 전극을 구비한 미소 기계 가공 MEMS/MOEMS 시스템에 관한 제2 개시에 교시되어 있는 전하 제어 또는 전류 제어의 개념을, 무시할 수 없는 누설 전류를 나타내는 것 같은 이러한 구조체에도 응용하는 것이 실행 가능하게 된다.
제3 개시의 특징은, 하기와 같이 기재될 수 있다.
［특징 1］
무시할 수 없는 누설 전류가 있고, 적어도 1개의 스프링 장착 가동 전극을 가지는 용량성 구조체를 구비하고, 전기적 수단에 의해 콘덴서에 인가된 힘에 의해서 상기 전극 간의 기계적 간격 d를 바꾸는 것이 가능한 미소 기계 가공 MEMS/MOEMS 정전 액추에이터 시스템용의 전기 액추에이터 컨트롤러의 상기 콘덴서의 분리 저항을 산출하기 위한, (제2 개시의 특징 1에 기재된) 정전 액추에이터 컨트롤러의 확장부 및 방법으로서,
무시할 수 없는 누설 전류가 있고, 적어도 1개의 가동 전극을 구비한 콘덴서 시스템이, 전하 Q에 의해 상기 콘덴서에 생기는 전압 V가 전하량 Q의 함수로서 적어도 1개의 최대치를 나타내는 것을 특징으로 하고,
상기 전기 액추에이터 컨트롤러가,
정전 용량 전극 사이에 있어서의 서로 당기는 기계력의 공급원의 직접 제어로서, 상기 시스템을 상기 전하량 Q에 의해서 직접 구동하는 것을 특징으로 하고,
상기 정전 액추에이터 컨트롤러의 상기 확장부가,
적어도 1개의 추가의 정밀 저항기, 및 각 저항기 중 적어도 1개의 관련 스위치가, 상기 정밀 저항기 중 어느 것이 상기 액추에이터 시스템의 상기 콘덴서에 그 분리 저항 Rleak와 함께 병렬로 전기적으로 접속되도록, 도입되는 것,
및
각 저항기를 그 자체의 스위치에 의해서 상기 콘덴서로부터 접속 또는 절단시킬 수 있는 것을 특징으로 하고,
상기 액추에이터 시스템에 있어서의 상기 콘덴서의 상기 분리 저항 Rleak의 절대치를 산출하는 방법은,
상기 방법이, 상기 콘덴서를 전하 제로로부터 이미 알고 있는 일정 전류로, 각각의 정밀 저항기에 관련된 스위치 중 적어도 1개를 닫지 않고, 추가로는 닫고 충전함으로써, 그리고 이들 충전 과정 중의 상기 생기는 전압의 시간 전개를 측정 및 기록함으로써, 실시되는 것, 및 이들의 시간 전개의 비교로부터, 특히, 그것만으로는 한정되지 않지만, 같은 레벨의 전압 V에 있어서의 상이한 구배 dV/dt로부터, 상기 분리 저항의 상기 절대치를 산출할 수 있고, 그것에 의해서, 이 콘덴서의 무시할 수 없는 누설 전류의 존재 하에서 액추에이터의 콘덴서 Qc에 있어서의 절대 전하량을 산출하는 것이 가능하게 되는 것
을 특징으로 하는, 정전 액추에이터 컨트롤러의 확장부 및 방법.
［특징 2］
무시할 수 없는 누설 전류가 있고, 적어도 1개의 스프링 장착 가동 전극을 가지는 용량성 구조체를 구비하고, 전기적 수단에 의해 콘덴서에 인가된 힘에 의해서 상기 전극 간의 기계적 간격 d를 바꾸는 것이 가능한 미소 기계 가공 MEMS/MOEMS 정전 액추에이터 시스템용의 폐피드백 루프에 의한, (제2 개시의 특징 1 및 2에 기재된) 적합성이 있는 일체화 HF 정전 용량 측정 시스템을 구비한 정전 액추에이터 컨트롤러의 확장부로서,
무시할 수 없는 누설 전류가 있고, 적어도 1개의 가동 전극을 구비한 상기 콘덴서 시스템이, 전하 Q에 의해 상기 콘덴서에 생기는 전압 V가 상기 전하량 Q의 함수로서 적어도 1개의 최대치를 나타내는 것을 특징으로 하고,
전기 액추에이터 컨트롤러가,
상기 정전 용량 전극 간의 서로 당기는 기계력의 공급원의 직접 제어로서, 상기 시스템을 상기 전하량 Q에 의해서 직접 구동하는 것을 특징으로 하고,
상기 적합성이 있는 일체화 HF 정전 용량 측정 시스템은,
먼저, 상기 컨트롤러가 일정한 전하량을 상기 정전 용량에 부가하고, 그 결과, 극판 사이의 간격이 원하는 간격에 가깝게 되도록 조정되고, 다음에, 전하 공급 회로가 가동 극판 콘덴서로부터 분리되고,
다음에, 추가 스위치를 통해서, 진동 평행 극판 콘덴서의 공진 주파수보다도 훨씬 높은 주파수의 AC 전류가 상기 콘덴서에 주입되고,
상기 전기 액추에이터 컨트롤러가, 상기 콘덴서로부터 생기는 AC 전압 변조를 측정하기 위한 회로를 포함하고, 그것에 의해, 전하량 변조 ΔQ 및 생기는 피측정 변조 전압 ΔV를 아는 것에 의해서, 상기 정전 액추에이터 시스템의 상기 전극 간의 순간의 간격 d에 의해서 형성되는 상기 용량성 구조체의 고주파 정전 용량을 산출할 수 있는 것을 특징으로 하고,
상기 확장부는,
상기 액추에이터가 피제어 시스템이며, 상기 공급원으로부터의 전류가 제어치이며, 상술한 「전류 주입에 기초하는 HF 정전 용량 측정」에 의해서 측정되는 정전 용량이 일정하게 유지되어야 할 검지치인, 폐루프 제어가 도입되고,
그것에 의해서, 상기 콘덴서의 전하량 Qc에 의해서 제어되는 임의의 규정 동작점에 상기 액추에이터를, 이 콘덴서에 무시할 수 없는 누설 전류가 존재하는 것에도 불구하고, 안정되게 유지하는 것이 가능하게 되는 것을 특징으로 하는, 정전 액추에이터 컨트롤러의 확장부.
［특징 3］
특징 2에 기재된 정전 액추에이터 컨트롤러의 확장부를 사용할 때의, 상기 콘덴서의 상기 분리 저항을 산출하기 위한 추가 방법으로서,
상기 추가 방법이,
상기 폐피드백 루프가, 상기 액추에이터의 정전 용량의 제어 전하량 Qc를 일정하게 유지하기 위해서 액티브된 후의 과도 시간 후에,
여기에서는 특히 폐루프 동작 하에서 상기 전류원에 의해서 공급되는 제어 전류 I인 제어치의, 어느 시간에 걸치는 평균치가 산출됨과 아울러, 상기 콘덴서의 전하량 Qc에 의해서 생성되어, 측정된 생기는 전압 V의 같은 시간에 걸치는 평균치도 또한 산출되는 것,
및
상기 콘덴서의 분리 저항 Rleak를 양쪽의 값의 비, 즉 생기는 전압의 평균치를 폐루프 제어하의 전류의 평균치로 나눈 것에 의해서 계산하는 것이, 폐루프 동작 하의 상기 전류의 평균치가 제어 전하 Qc 및 상기 생기는 전압 V(Qc)에 의해서 특징지어지는 동작점의 누설 전류와 같으므로, 가능한 것을 특징으로 하는, 추가 방법.
［특징 4］
특징 1 및 2에 기재된 정전 액추에이터 컨트롤러의 확장부, 및 자기 교정을 위한 관련 방법으로서,
상기 확장부는,
상기 액추에이터의 정전 용량을 상기 정전 액추에이터 컨트롤러 회로로부터 접속 또는 절단할 수 있는 추가 스위치가 도입되는 것을 특징으로 하고,
상기 관련 방법은,
상기 액추에이터의 정전 용량이 분리되고, 정밀 저항기와 관련된 상기 스위치에 의해서, 상기 정밀 저항기 중 적어도 1개가 상기 콘덴서 대신에 상기 다양한 전류원, 및 전압 측정 시스템에, 상기 저항기용의 상기 관련 스위치를 닫음으로써 접속되고, 그것에 의해, 상기 정전 액추에이터 컨트롤러에 장착된 임의의 전류원의 DC 또는 AC의 전류에 의해서 생기는 상기 저항기의 전압 강하를 측정할 수 있고, 전류 출력을 내부 전압 측정 시스템에 기초하여 재교정할 수 있는 것을 특징으로 하는, 정전 액추에이터 컨트롤러의 확장부, 및 자기 교정을 위한 관련 방법.
［특징 5］
무시할 수 없는 누설 전류가 있고, 적어도 1개의 스프링 장착 가동 전극을 가지는 용량성 구조체를 구비하고, 전기적 수단에 의해 콘덴서에 인가된 힘에 의해서 상기 전극 간의 기계적 간격 d를 바꾸는 것이 가능한 미소 기계 가공 MEMS/MOEMS 정전 액추에이터 시스템용의 (제2 개시의 특징 1에 기재된) 정전 액추에이터 컨트롤러의 간략화 동작 모드로서,
무시할 수 없는 누설 전류가 있고, 적어도 1개의 가동 전극을 구비한 콘덴서 시스템이, 전하 Q에 의해 상기 콘덴서에 생기는 전압 V가 상기 전하량 Q의 함수로서 적어도 1개의 최대치를 나타내는 것을 특징으로 하고,
전기 액추에이터 컨트롤러가,
정전 용량 전극 사이에 있어서의 서로 당기는 기계력의 공급원의 직접 제어로서, 상기 시스템을 상기 전하량 Q에 의해서 직접 구동하는 것을 특징으로 하고,
상기 간략화 동작 모드를 위한 방법은,
제로와 Qc 사이의 제어 전하량에 대해서만 응용 가능하고, Qc가 상기 콘덴서의 전압 V(QVmax)가 제1 최대치 Vmax를 나타내는 전하량 QVmax 보다도 적은 것,
및
원하는 동작점이, 상기 콘덴서의 무시할 수 없는 누설 전류의 존재 하에서, 상기 콘덴서의 실제의 측정 전압과, 예를 들면, 그것만으로는 한정되지 않지만, 앞의 특징 1 또는 2에 따라서 산출되는 그 분리 저항 Rleak로부터 계산할 수 있는, 전하량 Qc의 대응하는 값까지 상기 콘덴서를 충전하는 것에 의해서 설정되고,
다음에, 상기 제어 전류를, 이 동작점에 있어서의 누설 전류 V/Rleak와 같은 값까지 저감시키고, 그것에 의해 상기 액추에이터가 상기 동작점에 유지되고,
상기 측정 전압이 계속하여 감시되고,
상기 전하 Qc가 어떠한 이유로, 상기 콘덴서의 전압이 상기 제1 최대치 Vmax를 나타내는 값 QVmax를 초과하면 바로, 상기 제어 전류가 즉시 스위치 오프되어, 상기 전극이 서로 접촉하는 것에 의한 상기 콘덴서의 파괴가 회피되고,
상기 제어 전류를 스위치 오프하는 조건이, 그것만으로는 한정되지 않지만, 상기 제어 전류가 일정한 동안에 전압이 단조 저하됨으로써 바람직하게는 검출되는 것을 특징으로 하는, 정전 액추에이터 컨트롤러의 간략화 동작 모드.
［특징 6］
제2 개시에 의한 전하 제어에 기초하는, 적어도 1개의 가동 스프링 장착 전극을 가지는 용량성 구조체를 구비한 액추에이터용의 정전 액추에이터 제어 시스템의 확장이, 액추에이터의 콘덴서를 무시할 수 없는 누설 전류를 나타내는 경우에 대해 개시된다. 이 확장은,
(1) 정밀 저항기와, 어느 시간에 걸치는 주입 전류, 및 생기는 전압의 어느 시간에 걸치는 측정치로부터 콘덴서의 전하량 Qc를 계산하는 것을 가능하게 하는, 콘덴서의 분리 저항 Rleak를 정량화하는 관련 방법과,
(2) 검지치로서 HF 정전 용량 측정 시스템의 전류 주입 버전, 및 제어치로서 전류를 사용하는 폐피드백 루프와,
(3) 항목 (2)의 폐피드백 루프를 사용하여 누설 전류를 정량화하기 위한 추가 측정 시스템과,
(4) 일체화 전압 측정 시스템을 이용하여 모든 AC 및 DC 전류원을 교정할 수 있도록 하는 자기 교정 시스템 및 방법과,
(5) 피드백을 구비하지 않고, 실시하는 것이 용이하지만, 전압 제어를 이용해도 액세스할 수 있는 동작 범위 밖에 대처할 수 없는, 그러나, 전극이 간격 제로를 향해서 가속되어 전극이 서로 충돌하기 전에 「인입」 현상을 감시하여 멈추는 수단을 구비하는, 전류에 의한 간략화 제어 장치
로 이루어진다.
[산업상 이용가능성]
본 개시의 일 측면에 의하면, 신뢰성이 높은 광학 필터 시스템을 제공할 수 있다.
1…패브리 페로 간섭 필터 1a…광 투과 영역
12…제1 구동 전극 13…제1 모니터 전극
14…제2 구동 전극 15…제2 모니터 전극
31…제1 미러부 32…제2 미러부
32a…표면 50…광학 필터 시스템
51…컨트롤러 52…제1 전류원
53…제2 전류원 54…검출부
55…제어부
12…제1 구동 전극 13…제1 모니터 전극
14…제2 구동 전극 15…제2 모니터 전극
31…제1 미러부 32…제2 미러부
32a…표면 50…광학 필터 시스템
51…컨트롤러 52…제1 전류원
53…제2 전류원 54…검출부
55…제어부
Claims (13)
- 패브리 페로 간섭 필터와,
상기 패브리 페로 간섭 필터를 제어하는 컨트롤러를 구비하고
상기 패브리 페로 간섭 필터는,
제1 미러부와,
공극(空隙)을 통해서 상기 제1 미러부와 서로 마주 보도록 배치되고, 광 투과 영역에 있어서의 상기 제1 미러부와의 사이의 거리가 정전기력에 의해 조정되는 제2 미러부와,
상기 제1 미러부와 상기 제2 미러부가 서로 마주 보는 방향에서 보았을 경우에, 상기 광 투과 영역을 둘러싸도록 상기 제1 미러부에 마련된 제1 구동 전극과,
상기 제1 구동 전극과 서로 마주 보도록 상기 제2 미러부에 마련된 제2 구동 전극과,
상기 방향에서 보았을 경우에 적어도 일부가 상기 광 투과 영역과 겹치도록 상기 제1 미러부에 마련되고, 상기 제1 구동 전극으로부터 전기적으로 절연된 제1 모니터 전극과,
상기 제1 모니터 전극과 서로 마주 보도록 상기 제2 미러부에 마련되고, 상기 제2 구동 전극으로부터 전기적으로 절연된 제2 모니터 전극을,
구비하고,
상기 컨트롤러는,
상기 제1 구동 전극과 상기 제2 구동 전극의 사이에 구동 전류를 인가함으로써 상기 정전기력을 발생시키는 제1 전류원과,
상기 제1 미러부 및 상기 제2 미러부의 공진 주파수보다도 높은 주파수를 가지는 교류 전류를 상기 제1 모니터 전극과 상기 제2 모니터 전극의 사이에 인가하는 제2 전류원과,
상기 교류 전류의 인가 중에 상기 제1 모니터 전극과 상기 제2 모니터 전극의 사이에 발생하는 교류 전압을 검출하는 검출부와,
상기 제1 미러부와 상기 제2 미러부의 사이에 축적되는 전하량에 기초하여 상기 제1 전류원을 제어함과 아울러, 상기 검출부의 검출 결과에 기초하여 상기 제1 미러부와 상기 제2 미러부 사이의 정전 용량을 산출하는 제어부를,
구비하고,
상기 패브리 페로 간섭 필터는, 제1 표면을 갖는 기판과, 상기 제1 표면에 배치된 상기 제1 미러부를 갖는 제1 적층체와, 상기 제1 미러부에 대하여 상기 기판과는 반대측에 있어서 상기 공극을 통해서 상기 제1 미러부와 서로 마주 보는 상기 제2 미러부를 갖는 제2 적층체와, 상기 제1 적층체와 상기 제2 적층체의 사이에 있어서 상기 공극을 획정하는 중간층을 가지고,
상기 제1 구동 전극은, 상기 제1 적층체에 포함되는 층에 형성되어 있고, 상기 제2 구동 전극은, 상기 제2 적층체에 포함되는 층에 형성되어 있고,
상기 제1 모니터 전극과 상기 제2 모니터 전극의 사이에 인가되는 상기 교류 전류의 주파수는, 상기 제1 미러부 및 상기 제2 미러부의 공진 주파수의 10배보다 높은, 광학 필터 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 구동 전극은 상기 공극에 노출되어 있는, 광학 필터 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 제2 구동 전극은 상기 제2 미러부의 상기 공극과는 반대측의 표면에 배치되어 있는, 광학 필터 시스템. - 청구항 2에 있어서,
상기 제2 구동 전극은 상기 제2 미러부의 상기 공극과는 반대측의 표면에 배치되어 있는, 광학 필터 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 제2 구동 전극은 상기 공극에 노출되어 있는, 광학 필터 시스템. - 청구항 2에 있어서,
상기 제2 구동 전극은 상기 공극에 노출되어 있는, 광학 필터 시스템. - 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 모니터 전극은 상기 공극에 노출되어 있는, 광학 필터 시스템. - 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 모니터 전극은 상기 공극에 노출되어 있는, 광학 필터 시스템. - 청구항 7에 있어서,
상기 제2 모니터 전극은 상기 공극에 노출되어 있는, 광학 필터 시스템. - 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 모니터 전극은 상기 제2 미러부의 상기 공극과는 반대측의 표면에 배치되어 있는, 광학 필터 시스템. - 청구항 7에 있어서,
상기 제2 모니터 전극은 상기 제2 미러부의 상기 공극과는 반대측의 표면에 배치되어 있는, 광학 필터 시스템. - 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 구동 전극과 상기 제2 모니터 전극은, 상기 방향에 있어서 서로 이격되어 있는, 광학 필터 시스템. - 청구항 7에 있어서,
상기 제2 구동 전극과 상기 제2 모니터 전극은, 상기 방향에 있어서 서로 이격되어 있는, 광학 필터 시스템.
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